Apesar da nacionalidade brasileira, Nelsinho nasceu em Heidelberg, na Alemanha. Ele é filho do ex-piloto e tricampeão da F-1 Nelson Piquet com a modelo holandesa Sylvia Tamisma.
Começou sua carreira com 8 anos em corridas de kart – foi tricampeão brasileiro em 1997, 1999 e 2000, conquistando 40 vitórias e 50 pole positions.
Na Fórmula 3 Sul Americana de 2001, tornou-se o mais jovem piloto a vencer uma corrida na categoria (16 anos). No ano seguinte, ganhou o título com quatro provas de antecedência ao vencer 13 das 18 provas disputadas.
Foi piloto de testes da Renault em 2007 e se tornou piloto oficial em 2008. O primeiro GP de Fórmula 1 que disputou foi o GP da Austrália em 16 de março de 2008. Nelsinho marcou seus primeiros pontos na F1 no GP da França, em 22 de junho de 2008. Ele terminou em 7º lugar e ganhou 2 pontos.
Em 2008, o piloto ficou em terceiro lugar na preferência dos gays italianos que acompanham a F-1. A pesquisa, realizada pelo canal televisivo Nuvolari, mostrou Nelsinho com 17% dos votos, perdendo para o espanhol Fernando Alonso (21%) e para o inglês Lewis Hamilton (32%).
Durante o GP de Cingapura, em 2008, Nelsinho Piquet bateu o carro de propósito. O objetivo era beneficiar seu companheiro da equipe Renault, Fernando Alonso, pois a corrida teria que ser interrompida com a entrada do Safety Car. Alonso havia acabado de realizar seu pit stop.
