Tysken var 0,207 sekunder snabbare än Williams förare Valtteri Bottas.
Det fanns uppmuntran till att kämpa McLaren-Honda som Fernando Alonso satte den tredje bästa tiden, om än 1,7sek långsammare än Rosberg på samma däck.
Ferrari's Kimi Raikkonen var fjärde, 1.8sek av Rosberg men på ett däck beräknas vara 0.8seks ett varv långsammare.
Red Bulls Daniil Kvyat var femte snabbaste, på samma "mjuka" däck som Rosberg och Alonso använde, 0,2sek långsammare än McLaren.
Världsmästare Lewis Hamilton körde på eftermiddagen som Mercedes fortsatte sin politik att använda båda race förare på en dag för att undvika överansträngning dem, som ett resultat av den höga körsträcka laget täcker.
Men Hamilton koncentrerade sig på en race-simulation kör och inte registrera en representativ engångsflygning varv, sätta den sjätte snabbaste tiden på samma typ av medelstora däck som används av Raikkonen.
Sauber bil 2016 körde för första gången och Felipe Nasr var nionde snabbaste, 2,5seks off the pace.
Det är notoriskt svårt att förutsäga form från försäsongen testtider eftersom teamen inte släpper avgörande data om de specifikationer i vilka deras bilar kör, såsom bränslelast, motorläge och så vidare.
Men alla indikationer hittills är att Mercedes återigen är i bästa form innan säsongen i Australien den 18-20 mars, med en bil som är både snabb och körs med metronomisk konsistens.
Ferrari, som förväntas vara deras närmaste rivaler, visade inte något liknande motsvarande tempo, och inte heller har de haft samma tillförlitlighet. Raikkonen förlorade alla utom en timme på eftermiddagen på tisdagen efter att ha stannat ute på banan när bilen fastnade i åttonde växeln.
Men Rosberg sade på tisdagen: "Det är mycket nära mellan Ferrari och oss - och ett annat team kan vara där också."
Raikkonens bästa tid var satt på det medelstora däcket - men det betyder ändå att Ferrari var en sekund utanför Mercedes takt förutsatt att bilarna var på liknande bränslelaster.
Det andra laget Rosberg refererade till var inte klart - men huvudkandidaterna är Force India, Williams, Red Bull och Toro Rosso.
Bottas flygande varv på tisdagen föreslog att Williams är där eller däromkring i spetsen för mixen bakom Mercedes, som de har varit sedan de bytte till de tyska motorerna 2014.
Finnen var 0,763sek utanför Rosberg när båda använde det mjuka däcket och 0,207sek när man använde den ultramjuka, vilket beräknas vara ca 1,2-1,3sek snabbare än den mjuka.
"För tillfället ser det ut som [Mercedes] är i en riktigt stark position", sade han. "Det är svårt för vem som helst att utmana dem i början av säsongen."
Samtidigt var Alonsos tempo på tisdag det första tydliga beviset på att McLaren motorpartner Honda verkligen har tagit ett betydande steg framåt med sin motor under vintern.
McLaren kör denna vecka den definitiva 2016 motorn, även om det fortfarande finns uppdateringar som ska läggas till före den första tävlingen. Som med alla tillverkare, Honda kommer också att kunna förbättra motorn genom säsongen eftersom undersäsong utveckling, inom vissa begränsningar, har tillåtits.
Toro Rosso, som för första gången på tisdagen körde bilen i sin definitiva bostad 2016, har också blivit tipsad som mörka hästar. Red Bull junior laget säger att de tror att de kan göra mål podi avslutar denna säsong efter byte från Renault till Ferrari makt, om än en 2015-specifikation motor.
Den nya USA-baserade Haas laget sprang mycket imponerande under det första testet, men de drabbades av pålitlighet gremlins på tisdagen, och Esteban Gutierrez skickades till garaget för en stor del av dagen.
Snabbaste tider:
1 Nico Rosberg (Ger) Mercedes 1:23.022
2 Valtteri Bottas (Fin) Williams 1:23.229
3 Fernando Alonso (Spa) McLaren 1:24.735
4 Kimi Raikkonen (Fin) Ferrari 1:24.836
5 Daniil Kvyat (Rus) Röd Bull 1:25.049
6 Lewis Hamilton (GB) Mercedes 1:25.051
7 Max Verstappen (Ned) Toro Rosso 1:25.176
8 Nico Hulkenberg (Ger) Force Indien 1:25.336
9 Felipe Nasr (Brz) Sauber 1:25.493
10 Kevin Magnussen (Den) Renault 1:25,760
11 Esteban Gutierrez (Mex) Haas 1:26.661
12 Rio Haryanto (Idn) Herrgård 1:27.699
Bottas sätter bästa tiden på ultramjuka däck; Rosberg, Alonso, Kvyat, Verstappen, Magnussen, Hulkenberg, Nasr och Haryanto sätter bästa tider på mjukt däck; alla andra på medium
Nico Rosberg satte takten som världsmästare Mercedes fortsatte sin olycksbådande form den första dagen av den slutliga Formel 1 försäsongen testet.