Nach etlichen Änderungen und Verbesserungen und vor allem nach einem Übergang auf die einfachere Kreiskolbenvariante mit ruhendem Gehäuse entwickelte NSU zunächst eine ganze Reihe von Wankelmotoren für die unterschiedlichsten Anwendungen vom Wasserski-Schleppgerät bis zum Feuerspritzen-Antrieb, bis dann endlich eine klare Entscheidung für die Konzentration auf Fahrzeugmotoren fiel. 

Mit dem NSU Prinz hatte das Unternehmen bereits 1957 ein erstes Nachkriegsautomobil präsentiert, das in den Folgejahren kontinuierlich weiterentwickelt worden war und dessen sportliche Variante 1964 zur Basis für den NSU Wankel-Spider wurde – das erste Auto der Welt mit einem Rotationskolbenmotor. 

1967 folgte der NSU Ro 80, der zum Höhepunkt der Ingenieurskunst aus Neckarsulm werden sollte – und zugleich zum Anfang ihres Endes. 

Denn obgleich der Ro 80 eine echte technische Pionierleistung war, welche in den nächsten 10 Jahren immer weiter perfektioniert wurde, hatte sich die NSU Motorenwerke AG damit finanziell übernommen. Infolgedessen fusionierte sie 1969 mit der VW-Tochter Auto Union GmbH zur Audi NSU Auto Union AG. Aus dieser Zeit stammt auch der bekannte Slogan „Vorsprung durch Technik“, der 1971 für den Ro 80 entwickelt und später für das gesamte Unternehmen verwendet wurde. 

1985, als die Audi NSU Auto Union AG schließlich in Audi AG umbenannt wurde, verschwand die Marke NSU vollständig vom Automobilmarkt. An der Börse lebt sie jedoch weiter – als Symbol für die Audi-Aktie. Denn rein rechtlich gesehen ist die Audi AG nichts anderes als die mehrfach umbenannte NSU AG. 

Als NSU in den 1950ern begann, mit Felix Wankel zusammenzuarbeiten, konnte das Unternehmen bereits auf eine lange Geschichte zurückblicken. Begonnen hatte alles 1873 in Riedlingen an der Donau mit Gründung der „Mechanischen Werkstätte zur Herstellung von Strick-maschinen“. 1880 wurde der Firmensitz nach Neckarsulm verlegt, ab 1886 wurden auch Fahrräder hergestellt und ab 1892 das Markenzeichen „NSU“ (als Kurzform von Neckarsulm) verwendet. 

Ab 1901 kam die Produktion von Motorrädern und ab 1906 von Automobilen hinzu. Dabei sorgte vor allem die Motorrad-sparte durchgängig für hohe internationale Bedeutung des Unternehmens. In der Zeit nach 1945 schrieben NSU-Maschinen wie Quick, Fox, Lux und Max Motorradgeschichte. Darüberhinaus war NSU im Motorradrennsport sehr erfolgreich. Und so hatte der Leiter der Entwicklungs- und Rennabteilung, Dr. Walter Froede, auf Anhieb großes Interesse, als er über zwei Ecken von Felix Wankels vielversprechender Arbeit an Flach- und Walzendrehschieber-steuerungen für Hubkolbenmotoren erfuhr. 

Ein erster Besuch bei Wankel fand am 06.10.1951 statt und schnell wurde man sich über eine Zusammenarbeit bei Drehschiebermotoren einig. In der Folge wurde von Wankel immer wieder auch das Thema „Drehkolben-maschinen“ angesprochen, aber die damaligen Entwürfe waren noch zu weit weg von einer technischen Machbarkeit und NSU war nicht bereit in unerforschtes Neuland zu investieren. 

Erst nach Wankels überzeugender Skizze zur 2:3 übersetzten Trochoidenform vom 13.04.1954, die von Wankels Chefkonstrukteur, Dipl. Ing. Ernst Höppner, weiter ausgearbeitet wurde, konnte schließlich am 16.09.1954 ein Zusatzvertrag über die Entwicklung von Drehkolbenmaschinen unterzeichnet werden.