Hülkenberg menedzsere, Willi Weber, a Flavio Briatore vezette F1 Renault-val tárgyalt az ifjú német első F1-es tesztjéről, 2007. december 4-én mégis a Williams csapatnál szerepelt Jerezben. A gyakorlás remekül sikerült, már az első napon gyorsabbnak bizonyult az istálló versenypilótájánál, Nakadzsima Kadzukinál, de a már két éves tapasztalattal rendelkező Nico Rosbergtől is mindösszesen 4 tized másodperccel maradt el. A csapatot meggyőzte a szereplése, ezért meg is kapta a tesztpilótai állást, kontraktusát 2009-re is meghosszabbították.
Miután a Williamsnél mindkét pilótaülés szabaddá lett, a 2010-es évre őt szerződtették az egyik pilótának. Csapattársa, a Formula–1 minden idők legtapasztaltabb pilótája, az exbrawnos Rubens Barrichello.