Rosberg ocupó la segunda posición durante el primer sprint de la carrera pero cayó hasta el tercer lugar, detrás de Max Verstappen, después de su primera parada.
Rosberg desafió a Verstappen después de varias vueltas de estar atrapado detrás del piloto de Red Bull y completó un buen adelantamiento en la salida de la curva 9, aprovechando la superior tracción de su Mercedes.
Rosberg se mantuvo en segundo lugar en el resto de la carrera, pero estuvo bajo presión durante las etapas finales, mientras Lewis Hamilton, líder de la carrera, desaceleraba el ritmo del grupo.
Rosberg tuvo que defenderse de Sebastian Vettel durante varias vueltas, con Verstappen apenas unas décimas por detrás, para asegurar el segundo lugar.
Rosberg cruzó la línea apenas 0.4s por detrás de Hamilton, pero también apenas 0.4s por delante de Vettel, mientras que Verstappen acabó a un segundo del piloto de Ferrari.
"Definitivamente no fue la carrera más agradable que he tenido", dijo.
"Con Max al principio, y luego con estos chicos en la parte final esas últimas vueltas no fueron muy agradables, me alegro de que haya terminado … estoy increíblemente extasiado.
"Me encantaría dedicar la victoria a mi esposa, has sido increíble, gracias a todo el apoyo … a nuestra hija Alaia, voy a agradecerles a todos los demás después, es irreal".
El logro de Rosberg significa que se convierte en el segundo piloto en la historia, después de Damon Hill, que sucede a su padre como Campeón del Mundo de Fórmula 1.
"Estoy muy, muy orgulloso por supuesto de haber hecho la misma hazaña que mi papá logró, él vendrá en media hora, muy emocionado de verlo", comentó.
Rosberg también elogió al campeón mundial saliente Hamilton.
"Felicitaciones a Lewis, hiciste una gran temporada, [eres un] gran competidor, masivamente rápido siempre, siempre duro de vencerlo".