Hijo del tricampeón del mundo del mismo nombre, Nelson Piquet inició su carrera en los círculos del karting en Brasil antes de pasar al campeonato de F3 Sudamericano en 2001, terminando quinto en su primera media temporada de competición. El título llegó en 2002 y entonces Piquet se trasladó a Gran Bretaña, con 17 años, para competir en la F3 británica.

Con su propio equipo en la F3 británica, Piquet terminó en una sólida tercera posición en 2003 después de lograr seis victorias. Realizó entonces un test con BMW Williams y en 2004 ganó el título de F3 en Gran Bretaña con otras seis victorias y más kilómetros con WilliamsF1.

Piquet probó con el equipo Honda F1 en 2005, además de competir en el primer campeonato de GP2. La temporada fue dura para Piquet, ya que los problemas de fiabilidad le impidieron conseguir buenos resultados, aunque una victoria en Spa Francorchamps le permitió demostrar su habilidad.

Después participó en varias carreras del campeonato A1GP, donde Piquet logró una doble victoria en Brands Hatch para el A1 Team Brazil dirigido por Emerson Fittipaldi. Piquet volvió a competir en GP2 en 2006 y protagonizó una dura lucha con Lewis Hamilton por el campeonato.

Para la última carrera de la temporada en Monza, Piquet ya había llegado a un acuerdo para ser piloto de pruebas con el campeón del mundo Renault. Piquet probó con Renault por primera vez en septiembre de 2006 y durante toda la temporada 2007 estuvo acumulando kilómetros de pruebas con el equipo francés.

Con Fernando Alonso de nuevo en Renault y como indiscutible número uno, Heikki Kovalainen tuvo claro que no lo interesaba seguir en la escudería francesa como número dos. Es le abría las puertas a Piquet, que en 2008 hará su debut en el Mundial de Fórmula Uno como nuevo compañero de Fernando Alonso.