Nikita Mazepin fait ses débuts en monoplace à la fin de l'année 2014, en participant aux quatre courses du MRF Challenge.

En 2015, il passe à la Formule Renault 2.0 NEC, mais ne monte qu'une fois sur le podium, sur le Red Bull Ring, et termine douzième du championnat. Il participe également aux Toyota Racing Series la même année, sans grande réussite : une huitième place en course est son meilleur résultat. En 2016, il participe au championnat d'Europe de Formule 3 au sein de l'écurie Hitech. En août, il est engagé par Carlin pour disputer une manche du championnat de F3 britannique à Snetterton, et remporte l'une des trois courses. Il signe également un contrat de pilote de développement avec Force India.

En 2017, il continue sur sa lancée en championnat d'Europe de F3, avec trois podiums à la clé. Bien que ses résultats ne soient pas probants dans les catégories inférieures, il accède toutefois aux GP3 Series en 2018 et signe avec l'écurie ART Grand Prix. Cette saison marque un tournant dans sa carrière, puisqu'il remporte la première course de la saison à Barcelone. A cette victoire, s'ajouteront trois autres, et il terminera le championnat à la deuxième place.

Il connaît un petit coup de mou en 2019, mais ART Grand Prix décide de le promouvoir dans leur structure de Formule 2. La saison est cauchemardesque pour lui, qui ne décroche que onze points, alors que son équipier, Nyck de Vries, termine champion. Après avoir été remercié par ART, il trouve refuge chez Hitech, son ancienne équipe de Formule 3, qui décide de franchir le pas et de s'inscrire au championnat de Formule 2. Il remporte la course principale à Silverstone et une autre au Mugello. Il termine cinquième du championnat 2020.

Début décembre, Haas confirme avoir recruté le jeune Russe Nikita Mazepin, en tant que pilote titulaire pour la saison 2021. Il devra courir sous une nationalité neutre, à la suite des déboires de la fédération russe des sports, accusée de dopage dans des disciplines d'athlétisme. La Haas portera néanmoins les couleurs de la Russie, car elle est sponsorisée par l'entreprise Uralkali, dont l'un des principaux actionnaires n'est autre que Dimitri Mazepin, le père de Nikita. Une semaine plus tard, cette nomination est contrariée par les agissements de Nikita en dehors des circuits. Une vidéo le montre en train d'avoir un comportement inapproprié avec une jeune femme à l'arrière d'une voiture, publiée sur les réseaux sociaux. Nikita présente des excuses publiques et efface la vidéo. Haas condamne ces agissements, mais après le mea-culpa du Russe, le confirme à son poste.

En F1 avec Haas

Il fait donc ses débuts en Formule 1 en 2021, au volant de la Haas VF-21, avec Mick Schumacher comme coéquipier. Lors du Grand Prix d'ouverture à Bahreïn, le pilote russe connaît une entrée en matière complexe : il perd le contrôle dès le premier tour et abandonne dans le troisième virage. Lors des épreuves suivantes, à Imola, Portimão et Barcelone, il souffre d'un manque d'adhérence, multiplie les tête-à-queue lors des essais et termine en queue de peloton, concédant un écart important sur son coéquipier. Début juin, en Azerbaïdjan, il obtient le meilleur résultat de sa saison en se classant quatorzième, après une course à élimination. Cette épreuve ravive néanmoins les tensions internes, lorsqu'il effectue un écart défensif brusque à haute vitesse face à Schumacher dans l'ultime ligne droite. Il enchaîne ensuite les arrivées au-delà de la quinzième place. La fin de saison confirme les limites de sa monoplace. Lors de son Grand Prix national à Sotchi, il se qualifie dix-neuvième et termine dix-huitième. Après un violent accrochage avec la Williams de George Russell lors du Grand Prix d'Arabie saoudite, il est testé positif à la Covid-19 avant la dernière manche à Abou Dabi. Il déclare forfait et termine ce championnat à la vingt-et-unième place mondiale, sans aucun point inscrit.

En prévision de la saison 2022, Nikita participe aux premiers essais collectifs de pré-saison sur le circuit de Barcelone, à la fin du mois de février. Cependant, le contexte géopolitique a rapidement bouleversé sa situation. À la suite de l'invasion de l'Ukraine par la Russie, l'écurie Haas retire immédiatement les logos de son commanditaire principal, Uralkali, de sa monoplace lors des essais. Début mars, soit quelques jours seulement avant le début officiel du championnat, l'écurie américaine rompt unilatéralement le contrat de parrainage ainsi que le contrat du pilote russe.

L'après-F1

En 2023, il effectue son retour sur les circuits internationaux en participant au championnat Asian Le Mans Series. Il intègre la catégorie reine LMP2 au volant d'un prototype Oreca. La compétition se déroule entièrement aux Émirats arabes unis, en février. Associé au pilote britannique Ben Barnicoat et au Sultanat d'Oman Ahmad Al Harthy, il remporte deux victoires et termine le championnat à la quatrième place de sa catégorie.

Sur le plan juridique, le Tribunal de l'Union européenne lui accorde, en mars, une suspension provisoire des sanctions afin de lui permettre de négocier avec des écuries et de courir en Europe sous statut neutre. Il ne parvient cependant pas à retrouver un volant.