След като подписа договор с Мерцедес за 55 милиона евро, който изтича след края на 2009 г., Росбърг продължава да шофира за отбора през 2010 г. По време на междинния сезон той се стреми да коригира телесен дефицит, който го кара да задържа дъха си срещу g-силите в високоскоростни завои, тъй като не иска да ограничи потока на кислород към мозъка и мускулите си. Росбърг каза, че опитът да се бори за шампионата на пилотите му дава повече мотивация да победи Хамилтън през 2015 г. и иска да подобри шофирането си и да спечели титлата. След четири тройки на подиума в първите четири състезания, той спечели в Испания,
Монако и Австрия, което се случи, след като цялостното му представяне намаля, тъй като се фокусира повече върху състезанието, отколкото върху квалификацията; Фетел заплаши държането на Росберг на второ място в общия ранг. Загубите в Италия и Русия и две грешки на мокра писта в Световното първенство го спират да спечели шампионата, но победите в последните три състезания в Мексико, Бразилия и Абу Даби и шест последователни поул позиции го поставят на второ място с 322 точки.