Dia meraih peringkat kedua pada Kejuaraan Junior Asia 2012. Di tahun yang sama, dia meraih gelar Grand Prix pertamanya di Kanada Terbuka. Dia meraih gelar Super Series pertamanya di Jepang Terbuka tahun 2015. Kemudian dia memenangkan Final BWF Super Series Masters yang diselenggarakan di Dubai, Uni Emirat Arab. Pada laga final, dia mengalahkan pemain andalan Tiongkok, Wang Yihan, dalam dua set langsung. Pada tahun 2016, dia memenangkan Kejuaraan Bulu Tangkis All England dan menjadi pemain tunggal putri Jepang pertama yang memenangkan turnamen tersebut selama 39 tahun terakhir. Di babak final, dia mengalahkan pebulu tangkis asal Tiongkok, Wang Shixian dengan skor 21-11, 16-21, 21-19.
Dia juga meraih medali perunggu pada Olimpiade Musim Panas 2016. Setelah dikalahkan P. V. Sindhu di babak semi final, Nozomi langsung dinyatakan meraih medali perunggu setelah peraih medali emas Olimpiade sebelumnya Li Xureui, yang menjadi lawannya di babak perebutan tempat ketiga, tidak dapat mengikuti pertandingan karena cedera. Dalam nomor beregu, Nozomi meraih peringkat kedua di Piala Sudirman 2015 setelah dikalahkan Republik Rakyat Tiongkok di babak final. Di Piala Uber 2016, Nozomi yang menjadi bagian dari tim Jepang, hanya mencapai babak semi final setelah dikalahkan tim Korea Selatan dengan skor 3-1. Pada pertandingan ini, Nozomi dikalahkan pemain tunggal putri andalah Korea Selatan, Sung Ji-hyun dengan skor 21-13, 21-13.BWF World Championships 2017 - Nozomi Okuhara Sandang Gelar Juara Dunia Tunggal Putri 2017. Partai final Kejuaraan Dunia Bulu Tangkis 2017 di Glasgow, Skotlandia, di sektor tunggal putri mempertemukan Pusarla V Sindhu, India, dengan Nozomi Okuhara dari Jepang. Rubber game akhirnya dimenangkan oleh Nozomi Okuhara dengan skor 22-20. Skor 21-19, 20-22, dan 22-20 membawa tunggal putri Jepang tersebut sebagai juara dunia tunggal putri pertamanya di Glasgow, Skotlandia, pada Minggu (27/8/2017).