Se inicia en el karting con diez años llegando a campeón júnior de Alemania en 2002 y al siguiente año consigue el Campeonato de karts alemán. Debuta en la Formula BMW alemana ganándola y participando en la final mundial de esta categoría donde es descalificado tras haber vencido. Va a Formula 3 en el 2006 donde gana una carrera y queda quinto en la general. También compite ese mismo año en A1 Grand Prix -compiten países formando equipos - venciendo en nueve de diez carreras donde casi consigue el titulo para Alemania él solo.
En 2007 corre las Formula 3 Euroseries con el equipo ASM, ganador de los dos últimos campeonatos con Lewis Hamilton y Paul di Resta, donde queda tercero en la clasificación final.
Hulkenberg fue invitado a probar con el equipo Williams en Jerez a finales del 2007 siendo confirmado como piloto de pruebas para la temporada 2008 tras marcar tiempos entre los dos pilotos oficiales.
Su representante Willi Weber, que ha sido manager de Michael Schumacher, lo comparaba con éste último y dijo en el año 2008 que ya estaba preparado para correr en la categoría máxima.
En el año 2009 conserva la función de piloto de pruebas de Williams y se acerca a la GP2 Series, ganando el campeonato en su primer intento.
En el año 2010 tiene un arranque muy prometedor ya que consigue la quinta posición en la parrilla de salida y anota los primeros puntos al quedar en décimo lugar en Malasia. Impresiona con un sexto lugar en Hungría y con una pole position espectacular en Brasil al hacer aparición la lluvia.
En el 2011, tras no seguir en Williams, es piloto de pruebas y reserva de Force India. Hace apariciones en las prácticas del viernes para el equipo en 14 de las 19 pruebas de la temporada y este año pasa a ser piloto oficial.