Nick iniziò la sua carriera nel kart alla tenera età di nove anni, nel club Kerpen-Manheim. Partito dalla tredicesima posizione vinse il campionato DMV Karting di Nordrhein-Westfalen, oltre ad ottenere la quinta piazza nella Nordrhein-Westfalen Cup. Nell'anno successivo, il 1991, arrivò terzo nel Trofeo ADAC Junior come membro della squadra nazionale ADAC, vinse inoltre la International CIK Junior.

Nel 1992 conquistò il quinto posto nel campionato tedesco Karting Junior prima di entrare nel mondiale a Laval, Francia (Formula A). Nel 1994 conquistò il campionato tedesco di Formula Ford 1600 vincendo otto gare sulle nove disputate. Nel 1995 vinse il campionato tedesco FF1800 International con 4 vittorie e 5 arrivi sul podio e si rivelò inoltre piuttosto forte nel campionato tedesco di Formula Ford 1800.

Nel 1996 partecipò al campionato tedesco di Formula 3, con la squadra Opal BSR. Ottenne 3 vittorie e giunse terzo nella classifica generale. Conquistò la pole position al GP di Macao, vinse la prima manche ed arrivò sesto alla fine della gara. Nel 1997 si spostò alla Mercedes come pilota junior e firmò come collaudatore per la West McLaren Mercedes. Continuò a guidare per la scuderia Opal nel campionato tedesco di F3 ed ottenne il titolo. Nel 1998 fu tra i primi del campionato internazionale di F3000 dopo aver vinto a Monaco, Hockenheim ed all'Hungaroring.

Nel 1999 proseguì con il ruolo di collaudatore per la McLaren e diventò campione di F3 per la scuderia West con 53 punti. Nel 2000 debuttò in F1 con la squadra Prost, ma la stagione fu difficile e costellata da mille difficoltà tecniche.

Col passaggio alla Sauber Nick riuscì a salire sul podio per la prima volta, al Gran Premio del Brasile. Alla fine del campionato si classificò ottavo con 12 punti, un bottino che aiutò la squadra svizzera ad arrivare quarta nella graduatoria costruttori, il suo miglior risultato di sempre. Nel 2002 rimase alla Sauber, al fianco di un'altra star nascente, Felipe Massa. Tuttavia il team retrocedette al quinto rango nel campionato costruttori mentre Heidfeld segnò soltanto sette punti.

Il 2003 non fu un anno facile per Heidfeld. La C22 non fu all'altezza delle speranze di Peter Sauber e Nick non potè segnare più di sei punti. Con l'annuncio dell'arrivo di Giancarlo Fisichella e del ritorno di Felipe Massa nella squadra svizzera, Nick Heidfeld fu costretto a cercare un altro volante.

L'inverno fu lento per il pilota tedesco che iniziò ad effettuare dei test per la Jordan senza essere sicuro che avrebbe ottenuto un contratto per la stagione successiva. Dopo numerose settimane di incertezza, Eddie Jordan confermò Heidfeld nella squadra e diede al pilota tedesco l'opportunità di rimanere in Formula 1. Nel 2004 Nick dovette lottare con una Jordan non certo all'altezza della situazione, ma in ben 15 occasioni battè in qualifica i suoi vari compagni di squadra. Gli unici punti arrivarono dal settimo posto di Monaco e dall'ottavo di Montreal.

Nick Heidfeld ebbe la grande opportunità di raggiungere Mark Webber e la BMW Williams nel 2005. La stagione del pilota tedesco iniziò alla grande con tre arrivi sul podio nelle prime sette manche del campionato. Tuttavia, a luglio, la BMW annunciò la sua decisione di lasciare la Williams alla fine della stagione e Heidfeld seguì il costruttore tedesco nella sua nuova sfida. Il 2005 fu anche una certa diminuzione delle prestazioni del pilota tedesco.

Nei test del Gran Premio d'Italia, Heidfeld fu vittima di un grosso incidente. Vittima di forti mal di testa, Nick concluse prematuramente la sua collaborazione con la BMW Williams. Nick Heidfeld dimostrò comunque di meritare un posto in un top team e di essere in grado di vincere gare. E' quello che ha cercato di fare nel 2006 con il team BMW Sauber.

Affiancato prima da Jacques Villeneuve, poi da Robert Kubica, Nick ha offerto alla squadra il suo primo podio, con un terzo posto al Gran Premio d'Ungheria. Il pilota tedesco ha concluso la stagione in nona posizione. Il 2007 è stata un'annata coronata dal successo per il pilota tedesco, salito sul podio a Monaco ed in Ungheria. Grazie alla competitività della F1.07 Nick ha mancato i punti solo in tre occasioni. Il 2008 si annuncia quindi sotto i migliori auspici.