Nach Kriegsende lebte NSU wie die meisten anderen Fabriken auch von den Restbeständen. Aber schon 1920/21 kamen die ersten neu fabrizierten Fahrzeuge heraus. Gebaut wurden vor allem Fahrräder und Motorräder, hierbei besonders die bewährte Heeresmaschine. Auch auf dem Zubehörsektor begann die Nachfrage zu wachsen, und so wurden bald Freilaufnaben produziert, alle 30 Sekunden eine.

Zur Feier des 50-jährigen Unternehmensjubiläums, die erst am 12. April 1924 stattfand, konnte man sogar und gerade für die Inflationsjahre auf eine erstaunliche Werksvergrößerung zurückblicken. Die Fabrik bekam nun noch eine eigene Telefonzentrale, Laboratorien und sogar ein eigenes Fotoatelier. Außerdem begann man im gleichen Jahr mit der Errichtung eines Zweigwerks in Heilbronn, das allerdings erst 1927/28 fertiggestellt worden ist. Im Zuge der Konzentrationstendenzen im deutschen Kraftfahrzeugbau vereinigte sich NSU mit der zum Schapiro-Konzern gehörenden Schebera AG, einer in Berlin ansässigen Karosseriebaufirma.

Die neue Bezeichnung lautete ab November 1926: NSU Vereinigte Fahrzeugwerke AG, Neckarsulm. Während am Stammsitz des Unternehmens weiterhin produziert wurde, beteiligte sich die bisherige Schebera am Vertrieb und übernahm besonders das Taxigeschäft in Berlin. NSU Wagen waren seinerzeit auf den Straßen der Reichshauptstadt als Mietwagen sehr häufig zu sehen. Als jedoch hier infolge der Gewerbeüberbesetzung die Erträge der einzelnen Droschkenbesitzer immer schmaler wurden und sie ihre Raten an die Fabrik nicht mehr bezahlen konnten, kam NSU 1926 ins Schleudern. Notwendige Sanierungen zogen sich bis 1928 hin und hatten zur Folge, dass der italienische Automobilriese Fiat das Heilbronner Werk für die Personenwagenproduktion kaufte. Fiat bezog von nun an Fahrgestelle von NSU, worauf man eigene Karosserien baute. In Neckarsulm endete damit der Automobilbau. Bis 1932 baute Fiat in Heilbronn ausschließlich NSU Automobile und vertrieb sie unter der Bezeichnung NSU Fiat. Diese Markenbezeichnung blieb auch dann noch erhalten,

als in Heilbronn nur noch Italiener wie die Fiat-Typen 500, 1000 und 1100 vom Band liefen.

1927/1928 war in Heilbronn das NSU-Zweigwerk bezugsbereit. Schon kurz nach Fertigstellung wurde es jedoch von Fiat übernommen. Das italienische Automobilunternehmen fertigte in Heilbronn Automobile, wie hier den Typ 7/34 PS, die unter dem Namen NSU auf den Markt kamen.

Am 1. Januar 1930 wurde Fritz von Falkenhayn zum Verkaufsleiter bei NSU, zwei Jahre später zum Vorstandsmitglied und sechs Jahre später zum Vorstandsvorsitzenden der Firma berufen. Er begann, eine schlagkräftige Verkaufsorganisation aufzubauen. Eine Kundendienstzentrale wurde eingerichtet, und eine Ausstellungshalle bot immer das komplette Programm zum Anschauen. Eine 1929 gegründete Verkaufsgemeinschaft mit den Wanderer Werken in Chemnitz kam allerdings kaum mehr zum Tragen, da die Sachsen kurz darauf ihren gesamten Motorradbau aufgaben.

Ein neuer Anlauf in diese Richtung – Abstimmung und Vereinigung von Fertigung und Verkauf mit der Deutschen Industriewerke AG in Berlin (D-Rad) – führte (1932) vorübergehend zur Firmierung NSU D-Rad-Vereinigte Fahrzeugwerke AG Neckarsulm. 1936 übernahm NSU von Opel dessen gesamte Fahrradfertigung. Kurz darauf gab es jedoch keine D-Räder mehr, und so verschwand dieser Zusatz 1938 wieder aus dem Namen.