2007–2011: Giai đoạn đầu

• Đến với điền kinh từ năm lớp 5, được thầy Nguyễn Trọng Hổ phát hiện, 11 tuổi Oanh đã lên Trung tâm Thể thao Hà Đông tập luyện. Sau đó là Trung tâm Huấn luyện Thể thao Quốc gia 1 ở Nhổn, Từ Liêm. Song song việc rèn luyện điền kinh vào ban ngày là việc học văn hóa vào các buổi tối.[2]

2011–2013: Bước đầu tạo dấu ấn

• Năm 2011, mới 15 tuổi cô đã có lần tham dự SEA Games đầu tiên khi được gọi vào đội tuyển điền kinh quốc gia để sang Indonesia dự SEA Games 26. Năm đó cô và các đồng đội giành được một tấm huy chương đồng nội dung tiếp sức 4×400 m, đánh dấu những đóng góp bước đầu của Oanh cho điền kinh Việt Nam trên đấu trường quốc tế.
• Tháng 7 năm 2013, cô tham dự Giải vô địch điền kinh trẻ thế giới 2013 ở Donetsk, Ukraine. Cô đã xuất sắc vượt qua hàng chục VĐV quốc tế ở lượt chạy vòng loại và lượt chạy bán kết để giành quyền vào lượt chung kết. Trong lượt chạy chung kết ngày 12/7 thì suýt chút nữa cô đã tạo nên kỳ tích khi cán đích ở vị trí thứ 4 với thành tích 53 giây 80, chậm hơn VĐV giành huy chương đồng người Jamaica là Tiffany James 0,24 giây.[3] Chính Tiffany James cũng là người duy nhất nhanh hơn Oanh ở lượt chạy bán kết thứ 2 vào ngày 11/7 trước đó.[4]
• Tháng 12 năm 2013, cô tiếp tục tham dự SEA Games 27 ở Naypyidaw, Myanmar. Cô đã giành được thêm 2 huy chương đồng cá nhân ở nội dung 200 m, 400 m. Còn ở nội dung tiếp sức 400 m thì cô và các đồng đội đã đổi màu huy chương sang bạc khi chỉ về sau các đồng nghiệp của Thái Lan.

2014–2016: Kỷ lục gia SEA Games

• Tháng 10 năm 2014, tại Asiad 17 diễn ra ở Incheon, Hàn Quốc: cô và các đồng đội tham dự nội dung tiếp sức 4x400 m và giành được vị trí thứ 5 chung cuộc.
• Vào tháng 6 năm 2015, tại SEA Games 28 ở Singapore, Oanh tiếp tục giành 1 huy chương đồng cá nhân ở nội dung 200 m. Còn sang nội dung tiếp sức 4×400 m cô cùng các đồng đội: Nguyễn Thị Thúy, Quách Thị Lan, Nguyễn Thị Huyền đã xuất sắc lập một kỷ lục SEA Games với thành tích 3 phút 31 giây 46.[5] Nhanh hơn kỷ lục cũ đã tồn tại 24 năm của các VĐV Thái Lan tới 4,07 giây.[note 3] Qua đó, chính thức truất ngôi Thái Lan ở nội dung đồng đội này.[6] Tính đến hết năm 2019, thành tích tuyệt vời này vẫn đang là kỷ lục quốc gia Việt Nam và kỷ lục SEA Games.
• Đến tháng 9 năm 2016, cô tiếp tục đặt chân đến thành phố biển Đà Nẵng để tham dự Đại hội Thể thao Bãi biển châu Á 2016 ở nội dung tiếp sức 4×60 m cùng với Tú Chinh, Mộng Tuyền và Đỗ Thị Quyên. Sau đó, 4 cô gái trẻ đã giúp chủ nhà Việt Nam giành được huy chương bạc ở nội dung này khi về đích sau 4 vận động viên của Thái Lan.

2017–2019: Đấu trường châu lục

• Tháng 7 năm 2017, tại Giải vô địch châu Á 2017 diễn ra ở Odisha, Ấn Độ. Cô giành được 1 HCB ở nội dung tiếp sức 4×400 m trong lần đầu tiên tham dự.[7]
• Cuối năm 2017, ở nội dung tiếp sức 4×400 m tại SEA Games 29, Oanh và các đồng đội vẫn thể hiện sức mạnh vượt trội với phần còn lại của Đông Nam Á và bảo vệ thành công tấm huy chương vàng đã giành được ở Kallang 2 năm trước.[8]
• Tháng 8 năm 2018, tại Á vận hội lần thứ 18 được tổ chức ở Jakarta, Indonesia. Cô cùng với các đồng đội Nguyễn Thị Hằng, Hoàng Thị Ngọc, Quách Thị Lan đã giành được tấm huy chương đồng Á vận hội đầu tiên ở nội dung tiếp sức 4×400 m sau lần lỡ hẹn ở Incheon năm 2014. Trong chiến tích đó, Nguyễn Thị Oanh là người xuất phát đầu tiên và trao gậy cho Nguyễn Thị Hằng.[9]
• Tháng 4 năm 2019, cô tiếp tục tham dự Giải vô địch châu Á 2019 diễn ra ở Doha, Qatar. Cô tham dự nội dung tiếp sức 4×400 m với hy vọng đổi màu huy chương. Tuy nhiên, Oanh và đồng đội đã không thể bảo vệ tấm huy chương bạc ở Odisha khi chỉ về đích thứ 5 chung cuộc.
• Tháng 12 năm 2019, Oanh tiếp tục tham gia tranh tài ở SEA Games 30. Và không có gì bất ngờ khi cô cùng đồng đội vẫn xuất sắc bảo vệ thành công tấm huy chương vàng nội dung tiếp sức 4×400 m cho đội tuyển điền kinh Việt Nam.