Nick comenzó su carrera a la edad de nueve años en el karting, en el club Kerpen-Manheim. A los trece años fue campeón en el campeonato DMV Karting de Nordrhein-Westfalen, al tiempo que fue quinto en la Copa Nordrhein-Westfalen. El siguiente año, 1991, acabó tercero en el Trofeo Júnior ADAC y fue miembro del equipo nacional júnior ADAC, además de ganar el CIK internacional júnior.

En el 92 terminó quinto en el campeonato alemán júnior de karting y, después, disputó el campeonato del mundo en Laval, Francia (Fórmula A). En 1994 venció en el campeonato alemán Fórmula Ford 1600 con ocho triunfos en nueve carreras disputadas, mientras que una temporada más tarde ganó en el campeonato internacional alemán de FF1800, donde logró cuatro victorias y subió cinco veces al podio, y la Fórmula Ford 1800 alemana.

En 1996 disputó el campeonato alemán de Fórmula 3 con el equipo Opal Team BSR. Sumó tres victorias y acabó tercero en la clasificación general. Además, consiguió la pole en el Gran Premio de Macao, ganó la primera manga y terminó sexto en la general. Un año después se pasó a Mercedes como piloto júnior y fue contratado como probador del equipo West McLaren Mercedes. Nick siguió pilotando para el equipo Opal en la Fórmula 3 alemana y se adjudicó el campeonato. Fue subcampeón en el campeonato internacional de Fórmula 3000 en 1998 con triunfos en Mónaco, Hockenheim y Hungaroring. Además, acumuló dos poles y dos vueltas rápidas.

En el 99 siguió probando para el equipo McLaren de Fórmula Uno y se convirtió en el ganador del campeonato de F3 para el equipo West con un total de 53 puntos. Hizo su debut en Fórmula Uno en la temporada 2000 con la escudería Prost, aunque tuvo un año muy duro y su rendimiento se vio afectado por constantes problemas de fiabilidad.

En 2001 se fue a Sauber y consiguió su primer podio en la categoría gracias a su tercer puesto en Brasil. Acabó la temporada octavo con un total de 12 puntos y ayudó a la escudería suiza a conseguir la cuarta plaza del campeonato de constructores, su mejor resultado hasta la fecha. La pasada temporada Nick continuó en Sauber y compartió equipo con el joven Felipe Massa, sin embargo la escudería suiza no pudo defender su cuarto puesto del 2001 y acabó el 2002 en quinto lugar de la clasificación de constructores. Nick sólo pudo sumar en esta ocasión un total de siete puntos.

El 2003 no fue un año fácil para Heidfeld. El Sauber C22 no fue tan competitivo como se esperaba y el piloto alemán sólo pudo sumar dos puntos a lo largo de la temporada... hasta que el equipo optó por una arriesgada estrategia en el GP de Estados Unidos y Nick sumó cuatro valiosos puntos más. Con el anuncio del retorno a Sauber de Felipe Massa y el fichaje de Giancarlo Fisichella, ya no había sitio para Heidfeld en el equipo suizo. Sin embargo, el piloto alemán encontraba acomodo en otra escudería para la temporada 2004.

El invierno 2003/04 fue muy largo para Nick, que empezó a probar para Jordan sin tener aún firmado su contrato con la escudería de Silverstone. Pero después de varias semanas de incertidumbre, Eddie Jordan confirmó que Heidfeld sería uno de sus dos pilotos para el 2004.

La temporada 2004 no fue nada fácil para la escudería de Silverstone. La potencia del motor Ford Cosworth no estuvo a la altura de los grandes constructores, pero aún así Nick logró superar a sus compañeros en calificación en 15 ocasiones a lo largo de la temporada. Los puntos se le resistieron al piloto alemán, ya que sólo logró un séptimo puesto en Mónaco y un octavo en Montreal.

A pesar de que la temporada 2004 fue de estancamiento para Heidfeld, en el 2005 le llegaba su gran oportunidad al firmar por BMW Williams y convertirse en el nuevo compañero de Mark Webber. El inicio de Campeonato para Nick fue excelente, con tres podios en las siete primeras carreras, pero a partir de ahí las cosas se torcieron. En el mes de julio BMW anunciaba la adquisición de la escudería Sauber y la contratación de Heidfeld para la temporada 2006. Sobre la pista, el rendimiento del piloto alemán iba a menos.

En los entrenamientos previos al GP de Mónaco, Heidfeld sufría un accidente bastante serio. Tras quejarse en numerosas ocasiones de fuertes dolores de cabeza, el equipo optaba por sustituirle para el GP de Italia y ya no correría ninguna carrera más en el 2005.

Pero el piloto alemán retomaba su carrera en la F1 la temporada 2006 como piloto de BMW Sauber. Con Jacques Villeneuve inicialmente como compañero de equipo, Nick y el canadiense estuvieron muy igualados en la parte inicial de la temporada. Sin embargo, Villeneuve abandonó el equipo mediado el Campeonato y el probador Robert Kubica pasó a ocupar su asiento como piloto titular junto a Heidfeld.

Con Kubica demostrando su velocidad desde la primera carrera, Heidfeld se vio obligado a forzar la máquina. Su tercera posición en el GP de Hungría pasado por agua supuso el primer podio del equipo alemán. Heidfeld finalizaba la temporada en novena posición del Campeonato.

La del 2007 fue una muy buena temporada para Heidfeld, que subió al podio en Mónaco y Hungría y sólo se quedó fuera de los puntos en tres carreras. El BMW Sauber F1.07 no estuvo al nivel de sus rivales de Ferrari y McLaren, pero Heidfeld fue el mejor del resto concluyendo el Campeonato en quinta posición con un total de 61 puntos. El piloto alemán repetirá en 2008 con BMW Sauber y su objetivo será lograr su primera victoria en el Mundial.