Родился 19 августа 1987 года в Эммерихе-на-Рейне, на западе Германии у границы с Нидерландами. В младших сериях взял четыре титула: немецкую Формулу-BMW ADAC в 2005 году, A1 Grand Prix за сборную Германии в сезоне 2006–2007, Евросерию Формулы-3 в 2008 году и GP2 в 2009-м. Два последних титула выиграл с командой ART Grand Prix, причём в GP2 стал чемпионом в первый же сезон. Годом раньше, в 2007-м, был третьим в Евросерии Формулы-3 и выиграл Masters of Formula 3.
Дебютировал на Гран-при Бахрейна 14 марта 2010 года за Williams: стартовал тринадцатым и финишировал четырнадцатым, в круге от лидера. Первое очко набрал в третьей гонке — на Гран-при Малайзии 4 апреля 2010 года, где квалифицировался пятым и финишировал десятым. Лучший результат сезона — шестое место на Гран-при Венгрии 1 августа 2010 года.
В субботу 6 ноября 2010 года на подсыхающей трассе Интерлагоса взял поул Гран-при Бразилии с временем 1:14,470 — больше чем на секунду быстрее Феттеля и Уэббера на Red Bull. В гонке 7 ноября финишировал восьмым. На 2011 год Williams взяла Пастора Мальдонадо, и Хюлькенберг провёл сезон тест-пилотом Force India.
Боевое место вернул в 2012 году у Force India: первая гонка — Гран-при Австралии 18 марта 2012 года, лучший результат — четвёртое место на Гран-при Бельгии 2 сентября 2012 года. Сезон 2013 года провёл в Sauber: на Гран-при Италии 8 сентября 2013 года стартовал третьим и финишировал пятым, а на Гран-при Кореи 6 октября 2013 года был четвёртым.
С 2014 по 2016 год снова выступал за Force India. 3 июля 2016 года на Гран-при Австрии стартовал со второго места, но сошёл из-за отказа тормозов; 28 августа 2016 года на Гран-при Бельгии финишировал четвёртым. С 2017 по 2019 год гонялся за заводскую команду Renault — первой гонкой стал Гран-при Австралии 26 марта 2017 года. На домашнем Гран-при Германии 28 июля 2019 года шёл четвёртым, но вылетел с трассы и сошёл.
13–14 июня 2015 года, в свободный от чемпионата уикенд, выиграл 24 часа Ле-Мана с первой попытки — за рулём Porsche 919 Hybrid под номером 19 вместе с Эрлом Бамбером и Ником Тэнди. Он же провёл стартовый и финишный отрезки гонки.
После сезона 2019 года остался без боевого места, но трижды выходил на замену. 2 августа 2020 года на Гран-при Великобритании должен был заменить Серхио Переса в Racing Point, но не смог стартовать из-за проблемы с силовой установкой; неделю спустя, 9 августа 2020 года, на Гран-при 70-летия квалифицировался третьим и финишировал седьмым. 11 октября 2020 года на Гран-при Айфеля на Нюрбургринге заменил Лэнса Стролла и с последнего, двадцатого места на старте приехал восьмым.
В 2021 и 2022 годах был резервным пилотом Aston Martin и в марте 2022-го дважды выступил вместо Себастьяна Феттеля: Гран-при Бахрейна 20 марта 2022 года — семнадцатое место, Гран-при Саудовской Аравии 27 марта 2022 года — двенадцатое. Полный сезон вернул в 2023 году с Haas: первая гонка — Гран-при Бахрейна 5 марта 2023 года, лучший результат года — седьмое место на Гран-при Австралии 2 апреля 2023 года. В 2024-м дважды финишировал шестым: на Гран-при Австрии 30 июня и на Гран-при Великобритании 7 июля.
26 апреля 2024 года Audi объявила, что Хюлькенберг подписал многолетний контракт с Sauber: сезон 2025 года он проводит в Sauber, а с 2026-го становится пилотом заводской команды Audi. Он стал первым пилотом, названным этим проектом.
Первую гонку за Sauber — Гран-при Австралии 16 марта 2025 года — закончил седьмым, стартовав семнадцатым. 1 июня 2025 года на Гран-при Испании финишировал пятым.
6 июля 2025 года на Гран-при Великобритании стартовал девятнадцатым и на мокрой, постепенно подсыхающей трассе финишировал третьим, удержав позади Льюиса Хэмилтона на Ferrari. Это первый подиум Хюлькенберга в чемпионате мира — на 239-м старте — и первый подиум Sauber с Гран-при Японии 2012 года, где третьим финишировал Камуи Кобаяси.
В 2026 году выступает за Audi Revolut F1 Team — заводскую команду Audi из Хинвиля с собственной силовой установкой, прежде выступавшую как Sauber; напарник — Габриэль Бортолето. Это первый сезон нового технического регламента: силовые установки, где около половины мощности даёт электрическая часть, и активная аэродинамика.
Первый Гран-при Audi — Австралию 8 марта 2026 года — Хюлькенберг пропустил: квалифицировался одиннадцатым, но из-за технической проблемы по пути на стартовую решётку не смог выйти на старт. Первые очки года принёс Гран-при Венгрии 26 июля 2026 года — девятое место. 23 августа 2026 года в Зандворте финишировал восьмым, а 13 сентября 2026 года на Гран-при Испании на новой трассе в Мадриде — десятым.