Der sportliche Ruhm der Neckarsulmer Fahrzeuge setzte im gleichen Jahr ein, als die Motorradfertigung begann: 1901. Siege bei Bahnrennen machten erstmals auf die Kraftfahrzeuge dieser Marke aufmerksam.

Goldmedaillen als Lohn für bemerkenswerte Leistungen folgten. So gewann Martin Geiger mit seinem Neckarsulm Motorrad die Feldbergprüfung 1904, wobei er die knapp 10 km lange Strecke mit Steigungen von bis zu 12 Prozent mit einem Durchschnitt von 38 km/h zurücklegte. FürAufsehen sorgte in diesen ersten Jahren auch Gertrud Eisemann, eine der ersten und erfolgreichsten Motorradsportlerinnen in Deutschland. Sie stellte mehrere Rekorde auf, und ihr Siegeskonto bei Langstreckenfahrten war beachtlich. Übrigens fuhr sie in diesen Jahren auch zahlreiche Wettbewerbe auf Horch Wagen mit.

Neckarsulmer Automobile sind zum ersten Mal bei den Prinz-Heinrich-Fahrten sportlich aktiv geworden. 1909 absolvierte die aus drei Wagen bestehende NSU Mannschaft die gesamte Strecke ohne Strafpunkte. Auch andere große Fernfahrten überstanden diese Wagen ruhmreich, so z. B. die Qualitätsprüfungsfahrt von Moskau nach Orel mit dem Ergebnis zweier erster Preise. Dennoch: Der sportliche Ruf der Marke NSU war in erster Linie an die Zweiräder gebunden, die sich auch auf Rennstrecken anderer Länder erfolgreich in Szene setzen konnten. Dies galt sowohl für die englische Tourist-Trophy, die 1911 von Karl Gassert auf NSU mit der goldenen Medaille siegreich beendet wurde, als auch für das Semmeringrennen in Österreich. In der Saison 1913/14 bildeten 375 erste Preise die großartige Ausbeute von NSU Motorradsportlern allein in Deutschland.

Gertrud Eisemann, eine der ersten Motorradsportlerinnen, gewann 1905 auf einem NSU 2-PS Motorrad die Fernfahrt Eisenach–Berlin–Eisenach.