Davydenko é profissional desde 1999, embora tenha sido na temporada seguinte, a do ano de 2000, que começou a conquistar seus primeiros êxitos esportivos relevantes. Estreou em torneios da ATP em Amsterdã e, nessa primeira participação, conseguiu chegar diretamente às semifinais. Ganhou, semanas depois, o Challenger de Möchengladbach.
Em 2001, o jogador russo saboreou pela primeira vez a emoção de disputar o primeiro Grand Slam de sua trajetória profissional, ao classificar-se para o Aberto da Austrália; nessa participação inaugural, perdeu na segunda etapa, onde foi derrotado por Patrick Rafter. Após deixar de disputar vários torneios devido a uma lesão, ganhou os Challengers de Ulm e Istambul, além de chegar às quartas-de-final no campeonato da ATP de Basiléia.
Em 2002, o tenista conquistou seu quarto torneio do circuito Challenger, ao vencer em 16 de setembro em Szczecin (Polônia) e conseguiu chegar às quartas-de-final no torneio da ATP de Viena. Um ano depois, Davydenko já era a segunda raquete da Rússia e conseguiu suas duas primeiras vitórias em campeonatos oficiais da Associação de Tenistas Profissionais, derrotando o belga Kristof Vliegen em Adelaide e o argentino Agustín Calleri em Estoril. Disputou também as quartas-de-final no Conde de Godó de Barcelona e as semifinais em St. Pölten.
Em 2004, o russo continuou avançando em seu jogo e subindo degraus na lista da ATP, até ficar, pela primeira vez, no Top 30. Chegou às quartas-de-final no Masters Series de Monte Carlo e à terceira etapa no de Roma. Conquistou vitórias em Munique, após eliminar Martin Verkerk, e em Moscou, após vencer Greg Rusedski na modalidade simples, embora também tenha vencido em duplas, jogando com Andreev.
Em 2005, Nicolay Davydenko foi o melhor jogador russo, conseguindo terminar a temporada como número 5 na lista da ATP. O jogador ganhou um novo título da ATP, especificamente o de St. Pölten, ao vencer Jürgen Mulzer, e chegou às semifinais em um bom número de torneios, com especial destaque para Roland Garros e para o Tenis Masters Series de Xangai, perdendo para o jogador argentino Nalbandian, que foi finalmente o vencedor.
No Aberto da Austrália, o russo chegou às quartas-de-final, enquanto que nos outros dois Grand Slams que disputou, sua atuação foi um pouco mais discreta, perdendo tanto em Wimbledon como no Aberto dos Estados Unidos, na segunda etapa do torneio.