Перед Формулой-1Карьера Пике началась в 1993 с Бразильского картинга, где он участвовал вплоть до 2001 года, когда он перешёл в Южноамериканскую Формулу-3. Благодаря богатству своего отца он выступал в его команде вплоть до серии GP2. Он провёл часть сезона 2001 года и выиграл чемпионат 2002 года за четыре гонки до конца сезона. В 2002 году он также принял участие в одной гонке Бразильской Формулы-Рено.
В 2003 году Пике отправился в Великобританию, где принял участие в Британской Формуле-3 в команде Piquet Sports. Он завершил чемпионат на третьем месте с шестью победами, пятью подиумами и восемью поул-позициями. Также он провёл тесты в команде Формулы-1 Williams.
В 2004 году Пике выиграл чемпионат Британской Формулы-3 и стал самым молодым чемпионом в истории в 19 лет и 2 месяца. Также он снова провёл тесты за Williams.
В 2005 году Пике принял участие в А1 Гран-при за команду Бразилии, выиграл спринт и основную гонку на первом этапе сезона в Брэндс-Хэтче, а также получил очко за быстрый круг. Также он принял участие в GP2 за команду HiTech/Piquet Sports, выиграл первую гонку в Спа в Бельгии и провёл тесты за команду Формулы-1 BAR-Honda.
В 2006 году Пике заработал второе место вслед за британским пилотом Льюисом Хэмилтоном в свой второй год выступлений в GP2.
Формула-1 - «Renault»Пике за рулём Renault R28 на Гран-при Канады 2008 года.
На протяжении сезона 2007 он был запасным и тест-пилотом команды Renault.
2008В сезоне 2008 Пике был представлен в качестве напарника по Renault вернувшегося двукратного чемпиона Фернандо Алонсо. Сообщалось, что он получил преимущество в борьбе за место в команде перед Хейкки Ковалайненом, потому как считали, что Ковалайнен может стать серьёзным соперником для Алонсо, а вызов такого рода для Алонсо мог стать таким же ударом по команде, как и годом ранее в McLaren.
В первой гонке сезона 2008 года - Гран-при Австралии - Пике стартовал 21-м и повредил свой болид в столкновении на стартовом круге, окончательно он сошёл на 31-м круге. Это был точно такой же результат, который показал его отец в дебютной гонке. На Гран-при Малайзии он стартовал с тринадцатого места на стартовой решётке и финишировал 11-м. Он стартовал 14-м на Гран-при Бахрейна, но сошёл из-за проблем с коробкой передач после второго пит-стопа. Пике впервые прошёл в третью часть квалификации на Гран-при Испании в Барселоне, квалифицировавшись 10-м. Тем не менее, гонку он завершил на седьмом круге после столкновения с Себастьеном Бурде при попытке обгона. На Гран-при Турции он квалифицировался 17-м и финишировал 15-м. Его проблемы усугублялись сходами, такими, как в Монако, где он не смог справиться с дождевыми условиями, и отправился в разворот, как и Алонсо в Канаде перед тем, как сойти на 43 круге из-за проблем с тормозами.
Пике набирает свои первые в карьере очки на Гран-при Франции 2008 года.
Давление над Пике со стороны Renault увеличивалось по ходу сезона 2008 года, и, по слухам, он мог потерять место в команде, если не улучшит результаты. Renault не комментировало слухи, публично призывая его улучшить результаты после Гран-при Турции и после неудачи в дождевом Монако.. Несмотря на давление, молодой пилот смог хорошо себя показать. Пике заработал свои первые очки, придя к финишу на седьмом месте на Гран-при Франции 2008 года, обойдя при этом своего напарника, двукратного чемпиона Фернандо Алонсо, на последних кругах гонки. На Гран-при Великобритании в Сильверстоуне Пике некоторое время шёл на четвёртом месте, обогнав своего напарника, который был на протёртых шинах. Пике аквапланировал, и его развернуло на 36 круге вместе с рядом других гонщиков. На следующей гонке в Германии он финишировал впереди Фелипе Массы на Ferrari и заработал второе место позади Mclaren Льюиса Хэмилтона и свой первый финиш на подиуме, но здесь во многом сыграло везение, так как он был единственным пилотом, кто провёл гонку на стратегии одного пит-стопа, и появившийся сразу же после пит-стопа Сейфети-кар.
На гран-при Сингапура Нельсиньо попал в аварию, которая привела к появлению машины безопасности. Это сыграло на руку его партнёру Фернандо Алонсо, который дозаправился раньше остальных и за счет этого смог выиграть гонку. Через год, уже после увольнения из Renault, Пике признается, что авария была подстроена по приказу команды, чтобы обеспечить победу Алонсо.
2009Пике на Гран-при Малайзии 2009 года.
Несмотря на слухи об уходе Пике, Renault подписало с ним однолетний контракт.. Алонсо остался напарником в надежде, что Renault сможет снова бороться за титул.
Пике провёл разочаровывающий старт сезона 2009 года и не смог ни разу пройти дальше первой части квалификации. Свою первую гонку в Австралии он завершил на 24-м круге из-за проблем с тормозами. Более удачно прошла гонка в Малайзии, где он финишировал тринадцатым, всего лишь в двух местах и семи секундах позади напарника по команде Алонсо, после того, как гонка была остановлена из-за сильного ливня. Китай стал ещё одним разочарованием, Пике часто вылетал, и ему два раза меняли носовой обтекатель. В итоге он финишировал на последнем 16-месте в двух кругах от лидера. Глава команды Флавио Бриаторе сказал: «Очень, очень плохая гонка».. Более сильный результат он показал в Бахрейне, финишировав 10-м и показав немало обгонов. На последних кругах гонки он обогнал Марка Уэббера. В Испании он провёл спокойную гонку и финишировал всего лишь 12-м.
На Гран-при Монако 2009 года Нельсон шёл 10-м до того, как собрал «паровозик» Себастьяна Феттеля. Стратегия Пике позволяла ему не останавливаться вплоть до 36 круга. Тем не менее, Нельсиньо Пике протаранил болид пилота Toro Rosso Себастьена Буэми, что стоило ему седьмого места. Расстроенный Пике сказал после гонки: «Я крайне огорчен сходом с дистанции. Мне удался неплохой старт, и все складывалось вполне удачно - мы запланировали длинный первый отрезок, а соперники впереди вели очень плотную борьбу, как вдруг Себастьен Буэми врезался в заднюю часть моей машины. Досадно, сегодня я мог набрать несколько очков…» Гран-при Турции для Пике не заладилось ещё в квалификации, в гонке он обогнал Хэмилтона и Баррикелло, но в итоге финишировал лишь 16-м.
3 августа 2009 бразилец подтвердил своё увольнение из команды Renault.
После увольнения Пике направил в FIA открытое письмо, где признался в совершении предумышленной аварии на гран-при Сингапура 2008 года. По словам Нельсиньо, его к этому вынудили Флавио Бриаторе и Пэт Симондс, заявив ему, что в противном случае его контракт на следующий год не будет продлен. Авария, организованная Renault в нужном месте и в нужное время, привела к появлению автомобиля безопасности, что сыграло на руку Алонсо и помогло ему победить в той гонке.
FIA инициировала расследование инцидента и признала справедливость обвинений Пике. Бриаторе и Симондс вынуждены были подать в отставку, после чего Бриаторе был дисквалицифирован пожизненно, а Симондс - на пять лет. Пике и Алонсо наказания избежали, и результат гонки пересмотрен не был. Этот скандал испортил репутацию как команде Renault, так и самому Нельсиньо: многие гонщики осуждали и сам факт совершения аварии, и его разглашение.