Nguyễn Thị Oanh bắt đầu theo nghiệp điền kinh từ năm cô 15 tuổi (năm 2010). Cô chia sẻ những ngày đầu tiên khi đội điền kinh tỉnh chiêu sinh thì cô bị chê là thể hình hạn chế do nặng chưa tới 40 kg và chỉ cao khoảng mét rưỡi nên suýt nữa đã không được tuyển.[8] Nhưng nhờ tinh thần luyện tập nghiêm túc, sự cố gắng rèn luyện đã giúp cô lấy được lòng tin của Ban Huấn luyện và từ đó được gọi vào đội tuyển quốc gia.
Cuối năm 2014, sau khi kết thúc Đại hội Thể dục Thể thao toàn quốc lần thứ VII một thời gian ngắn, Oanh xuất hiện triệu chứng phù nề đột ngột. Nhập viện, cô được chẩn đoán mắc bệnh viêm cầu thận cấp. Sau đó, cô phải tạm dời xa đường pitch để tập trung vào việc điều trị bệnh.[9] Vì vậy, Nguyễn Thị Oanh lỡ hẹn với SEA Games 28 diễn ra ở Singapore năm 2015.
Tháng 9 năm 2016, Đại hội Thể thao Bãi biển châu Á lần thứ 5 diễn ra ở Đà Nẵng, Việt Nam: Cô giành được một huy chương bạc ở nội dung chạy băng đồng cá nhân khi về sau đồng đội Phạm Thị Huệ. Chuyển sang nội dung chạy băng đồng đồng đội thì chính Oanh, Huệ cùng với 3 vận động viên khác đã giúp Việt Nam giành thêm một huy chương vàng nữa khi vượt qua các đồng nghiệp đến từ Thái Lan.
2017–2019: Liên tiếp thành công
Đến SEA Games 29, nội dung sở trường vượt chướng ngại vật 3.000 m của Nguyễn Thị Oanh không có trong nội dung thi đấu do chủ nhà Malaysia bất ngờ hủy nội dung này với lý do chỉ mình Việt Nam đăng ký dự thi.[10] Vì thế, Ban Huấn luyện đành phải chuyển cô sang đăng ký thi đấu ở nội dung 1.500 m và 5.000 m vốn đang thiếu người nhưng cô bé hạt tiêu đã xuất sắc giành 2 huy chương vàng ở cả hai cự ly khá khó khăn này dù thời gian luyện tập trước giải khá gấp rút.[7][10][11][12]
Tháng 4 năm 2018, tại Giải Điền kinh Singapore mở rộng cô tiếp tục giành thêm 2 HCV nữa về cho Đội tuyển Việt Nam ở các nội dung 1.500 m và vượt chướng ngại vật 3.000 m.[13]
Tháng 8 năm 2018, tại Asiad 18 diễn ra ở Jakarta: Oanh tiếp tục thi đấu ở nội dung vượt chướng ngại vật 3.000 m và giành được tấm huy chương đồng lịch sử cho điền kinh Việt Nam. Đây chính là lần đầu tiên điền kinh Việt Nam có huy chương tại nội dung này. Với cột mốc thành tích 9 phút 43 giây 83 thì Oanh cũng phá rất sâu kỷ lục quốc gia của đàn chị Nguyễn Thị Phương tới 19,15 giây.[7] Ngoài ra, cô cũng tham dự nội dung chạy 1.500 m nhưng chỉ về đích thứ tư khi kém vận động viên giành huy chương đồng của đoàn Ấn Độ 2,93 giây.[14]
Cuối năm 2018, sau chiếc HCĐ Á vận hội Oanh trở về khoác áo Đoàn Thể thao tỉnh Bắc Giang tham dự Đại hội Thể dục Thể thao toàn quốc lần thứ VIII. Cô tiếp tục giành được 3 huy chương vàng ở 3 nội dung thế mạnh của mình là 1.500 m, 5.000 m và vượt chướng ngại vật 3.000 m. Đặc biệt hơn nữa, cả ba chiếc HCV vàng đó đều là 3 kỷ lục mới của Đại hội. Qua đó, cô bé hạt tiêu khép lại một năm 2018 thành công ngoài mong đợi.[15]
Năm 2019, cô tiếp tục tham dự SEA Games 30 diễn ra tại Philippines, cô đã thi đấu xuất sắc để bảo vệ thành công 2 tấm huy chương vàng kỳ Đại hội trước và lần đầu giành vàng ở nội dung sở trường vượt chướng ngại vật 3.000 m. Hơn thế nữa, với thành tích 10 phút 00 giây 02 đạt được ở nội dung vượt chướng ngại vật 3.000 m cô đã xác lập một kỷ lục mới của SEA Games khi nhanh hơn kỷ lục cũ 0,56 giây do Rini Budiarti lập được ở SEA Games 26.[16]
2020: Giấc mơ Thế vận hội
Sau khi SEA Games 30 kết thúc, cô chia sẻ sẽ nỗ lực phấn đấu đạt chuẩn tham dự Thế vận hội Tokyo 2020 (9 phút 30 giây) ở nội dung vượt chướng ngại vật 3.000 m dù biết là hết sức khó khăn khi thành tích tốt nhất của cô tại Asiad 18 vẫn còn kém chuẩn Thế vận hội tới 13,83 giây.[17]
