Nikita Mazepin fait ses débuts en monoplace fin 2014 en participant aux quatre courses du MRF Challenge.

L'année suivante en 2015, il passe à la Formula Renault 2.0 NEC et n'obtient qu'un podium, sur le Red Bull Ring, et fini douzième du championnat. Cette même année, il participe également aux Toyota Racing Series sans grande réussite, une huitième place en course étant son meilleur résultat. Il signe cependant avec Force India en 2016 pour devenir leur pilote de développement. En parallèle, il participe au championnat d'Europe de F3 et en fin de saison au Grand Prix de Macao où il abandonne.

L'année 2017 le voit continuer sur sa lancée en championnat d'Europe de F3 où cette fois il réussit à monter sur le podium à trois reprises. Bien que ses résultats ne soient pas probants en catégories inférieures, il accède toutefois aux GP3 Series en 2018 et signe chez ART Grand Prix. Cette saison marque un élan dans sa carrière car il remporte la première course de la saison à Barcelone. A cette victoire viendront sans rajouter trois autres et il termine le championnat à la place de vice-champion.

Petit coup de mou en 2019 où ART Grand Prix décide de la promouvoir dans leur structure de Formule 2. La saison est cauchemardesque pour lui et il ne décroche en tout et pour tout que onze points alors que Nyck de Vries, son équipier, termine champion. Remercier par ART, il trouve refuge chez son ancienne équipe de F3, Hitech GP, qui décide de franchir le pas et de s'inscrire en championnat de Formule 2. Il remporte la course principale de Silverstone et une autre au Mugello. Il termine cinquième du championnat 2020.

Début décembre, Haas confirme l'avoir recruté pour la saison 2021 le jeune russe Nikita Mazepin, en tant que pilote titulaire, qui devra courir sous nationalité neutre suite aux déboires de la fédération russe des sports accusée de dopages dans des disciplines d'athlétismes. La Haas porte néanmoins les couleurs de la Russie étant sponsorisé par l'entreprise Uralkali dont l'un des actionnaires principaux n'est autre que Dimitry Mazepin, le père de Nikita.

Cette nomination faillit être contrariée par les agissements de Nikita hors circuits. Une vidéo sur les réseaux sociaux le voit avoir un comportement inapproprié avec une jeune femme à l'arrière d'une voiture. Nikita présente des excuses publiques et efface la vidéo. Haas condamne ses agissements mais après le mea-culpa du russe le confirme à son poste.