Den Anfang seiner Rennsportkarriere erlebte Heidfeld auf zwei Rädern. Als Fünfjähriger wagte er sich im Verein mit seinen Brüdern an Motocross-Rennen heran. Erst ein schmerzhafter Unfall, bei dem sein Bein zwischen Schutzblech und Rad eingeklemmt blieb, wobei der Gaszug verhängnisvoller Weise geöffnet war, veranlasste seine Eltern ihm den Sport nach Beinaheverlust seines Wadenmuskels zu untersagen.

Doch schon als Sechsjähriger wäre er laut eigenem Bekunden schon gerne Kart gefahren. Doch diese waren für ihn zu groß: "Ich war aber zu klein. An den Leihkartbahnen gab es immer solche Stangen: Wer darunter durchlaufen konnte, durfte nicht fahren." Erst bei einem Ausflug zum Nürburgring gelang ihm 1984, seine Eltern davon zu überzeugen, es noch einmal zu versuchen. Eine Decke und zwei Reifen halfen den Abstand zum Lenkrad zu überbrücken. Als er dann noch seinen Vater Wolfgang überholte und weit hinter sich hielt, versprach man ihm den Kauf eines eigenen Karts, das dann 1985 den eigentlichen Sprung in den Motorsport bedeutete.

Der kleingewachsene Heidfeld war schnell das Nesthäkchen des Clubs in Kerpen-Manheim, wo er auch gegen Michael und Ralf Schumacher fuhr. Eine WDR-Dokumentation jener Jahre zeigt den sehr kindlichen Nick noch auf dem Schoß von Mutter Schumacher sitzend, die damals das Clubheim betrieb. Sein Aussehen hinderte ihn jedoch nicht daran, fleißig Clubmeisterschaften, wie Teilnahmen an nationalen und internationalen Rennen anzuhäufen.

1994 wechselte er in die Monoposto-Klasse der Formel Ford 1600. Er gewann alleine acht von neun Rennen seiner ersten Saison und holte in seinem zweiten Jahr 1995 den Titel in der Formel Ford 1800.

Daraufhin zog es ihn 1996 in die Formel 3, wo er schon in seinem ersten Jahr drei Rennen und 1997 sogar die internationale deutscher Formel 3-Meisterschaft gewinnen konnte. 1996 hatte er sogar die Pole Position und einen Laufsieg bei der inoffiziellen Formel-3-Weltmeisterschaft auf dem Monaco-ähnlichen Stadtkurs in Macau erzielt, der fortan neben dem Grand-Prix-Kurs von Suzuka zu einem Lieblingsrennkurs gehörte. Da er auch das Rennen in Monte Carlo für sich entscheiden konnte, stand er bald in den Notizbüchern der Teamchefs höherer Klassen.

Dadurch durfte er schon dank der Unterstützung des Automobilherstellers erste Tests bei McLaren-Mercedes durchführen.

Für das Jahr 1998 setzte er die Tests sporadisch fort und machte seinen Weg in die Formel 3000 im Cockpit des West Junior Teams, das nicht nur den identischen Hauptsponsor McLarens aufzuweisen hatte, sondern gar eine Tochtergesellschaft dieses Formel-1-Teams zur Talentförderung war.

Unerwarteterweise hatte er in seinem ersten Formel-3000-Jahr nach drei Siegen echte Titelchancen, als er seine Pole-Position beim Start des letzten Rennens durch das Abwürgen des Motors einbüßte und das Feld von hinten aufrollen musste. Trotz eines beherzten Rennens gewann Juan Pablo Montoya dieses Rennen und die Formel-3000-Europameisterschaft.

Auch für 1999 blieb er nominell McLaren-Testfahrer und beim West Junior Team, um nun nach vier Siegen endlich das Championat für sich zu entscheiden.

Sein erstes Formel-1-Jahr absolvierte er 2000 bei Prost, errang jedoch wie sein Teamkollege, der Routinier und ebenfalls ehemalige Formel-3000-Europameister Jean Alesi keinen WM-Punkt, da das Team des fünffachen Weltmeisters Alain Prost sowohl an den schweren Peugeot-Motoren als auch an dem verwindungsschwachen Chassis krankte.

Anschließend fuhr Heidfeld drei Jahre bei Sauber-Petronas, wo er 2001 beim Rennen in Brasilien seinen ersten Podiumsplatz errang. Zum Saisonende lag er auf einem siebten Rang der Gesamtkonkurrenz. Vorübergehend kam es zu einer Verstimmung mit seinem einstigen Förderer Mercedes, da McLaren den Finnen Kimi Räikkönen als Piloten auswählte, obwohl Heidfeld diesen sowohl im Qualifying als auch im Rennen knapp, aber bestimmt hinter sich gelassen hatte. In jener Zeit verlegte er seinen Wohnsitz von Monaco in die Schweiz, wo er ein renoviertes Haus in Stäfa aus dem 19. Jahrhundert zusammen mit seiner Freundin Patricia Papen bezog. Nach der herausragenden Saison von 2001, in der die jungen Wilden Heidfeld und Räikkönnen mit einem ausgereiften und leicht zu fahrenden Sauber sogar den vierten Rang der Teamkonkurrenz errungen hatten, waren die beiden folgenden Jahre eher durchwachsen. Heidfeld vermochte sich zwar 2002 gegen den Neuling im Team, Felipe Massa, durchzusetzen, aber schnell zeigte sich, dass der Umstand als einziges Mittelfeldteam neben dem Topteam Ferrari auf Bridgestonereifen zu fahren, ein Nachteil sein konnte. Die Reifen erreichten nur mäßig ihre optimale Betriebstemperatur, so dass günstige Startpositionen in der Regel unmöglich waren. Für die Formel-1-Saison 2003 firmierte Sauber gar zum "Team-Mönchengladbach", als der ebenfalls dorther stammende Heinz-Harald Frentzen dank seiner Erfahrung die Entwicklung des Monopostos vorantreiben sollte. Beide hatten ihre Probleme mit dem besagten Handikap und konnten erst zum Ende der Saison bessere Resultate erzielen. Daher plante Peter Sauber für das darauf folgende Jahr nicht mehr mit ihnen.

Während der Formel-1-Saison 2004 fuhr Heidfeld für Jordan und erzielte trotz des untermotorisierten und unterfinanzierten Teams einige Achtungsergebnisse, wobei insbesondere seine Rundenzeiten stellenweise auf dem Niveau der kränkelnden McLaren-Mercedes waren. Etwas überraschend war er zum Jahreswechsel 2004/2005 dann doch beim Team Williams-BMW als zweiter Stammpilot für 2005 im Gespräch, nachdem ihm zuvor einige Experten, wie z.B. Hans-Joachim Stuck zwar rennfahrerische Kompetenz zugesprochen, aber jegliches persönliches Profil abgesprochen hatten. Im Gegensatz dazu machten sich insbesondere der ehemalige Grand-Prix-Pilot und Motorsport-Chef der "Weißblauen", Gerhard Berger, und Niki Lauda für den Mönchengladbacher stark, der aufgrund seiner sauberen Fahrlinie zu den besten sechs Piloten seiner Klasse gehören würde.

Erst nachdem Heidfeld in den daran anschließenden sieben Vergleichstests den vorherigen Testpiloten Antonio Pizzonia fünfmal übertreffen konnte, verkündete Frank Williams am 31. Januar 2005, dass "Quick Nick" - wie ihn seine Fans nennen - mit dem Beginn der Formel-1-Saison 2005 zweiter Stammfahrer neben Mark Webber sein würde. Ein weiterer ausschlaggebender Punkt seiner Verpflichtung mag der Umstand sein, dass Heidfeld sich und seine Entwicklerqualitäten endlich zum rechten Zeitpunkt besser in der Öffentlichkeit verkaufen konnte und schon frühzeitig von der deutschen Fachpresse favorisiert wurde. Vom BMW-Motorenchef, Mario Theissen, bekam Heidfeld in diesem Zusammenhang ein großes Lob: "Nick hat einen beeindruckenden Job gemacht. Er hat das zweite Cockpit mit seiner souveränen Vorstellung verdient."

Dieses Vertrauen dankte er bereits bei den ersten Tests in Valencia und Barcelona, als er Anfang Februar 2005 mehrmals vor seinem Teamkollegen Webber im Training platziert war und immerhin die zweitbeste Zeit einfuhr. Beim Grand-Prix von Monaco am 22. Mai 2005 erreichte er mit dem 2. Platz vor seinem Teamkollegen Mark Webber einen Podiumsplatz für BMW-Williams. Dabei beeindruckte er die Fachpresse durch sein konsequentes Überholmanöver gegen den Tabellenführer Fernando Alonso eingangs der Hafenschikane. Am darauf folgenden Rennwochenende, dem 28. Mai 2005, erreichte Heidfeld am Nürburgring seine erste Pole-Position, im Rennen kam er dank der unkonventionelleren Dreistoppstrategie erneut auf den zweiten Rang.

Nick Heidfeld fährt 2006 im neuen BMW-Werksteam, wo er im September 2005 einen Dreijahresvertrag unterzeichnete. Für den Mönchengladbacher stand die Saison 2005 mit der Trennung von Williams und BMW und seiner Sportverletzung im letzten Drittel der Saison unter keinem guten Stern. Auch 2006 war ein durchwachsenes Jahr, da der BMW-Sauber noch nicht zuverlässig genug war. Dennoch konnte er 23 WM-Punkte einfahren. Insbesondere der gute Speed zum Ende der Saison 2006 lässt auf eine bessere Saison 2007 hoffen.