Nguyễn Thị Oanh bắt đầu tập luyện điền kinh từ năm 2010 khi được tuyển vào Trường năng khiếu Thể dục thể thao tỉnh Bắc Giang. Sinh ra trong gia đình thuần nông có 8 anh chị em tại xã Mỹ Hà, huyện Lạng Giang (Bắc Giang), chỉ có một mình Oanh theo sự nghiệp thể thao.
Năm 2012, Nguyễn Thị Oanh lần đầu được tập trung đội tuyển điền kinh Việt Nam. Năm 2022, Nguyễn Thị Oanh bảo vệ thành công luận văn thạc sĩ về huấn luyện thể thao tại Đại học Thể dục thể thao Bắc Ninh. Cũng trong năm 2022, Nguyễn Thị Oanh được Đảng bộ Sở Văn hóa, Thể thao và Du lịch tỉnh Bắc Giang, Chi bộ Trung tâm Huấn luyện và Thi đấu Thể dục thể thao tỉnh Bắc Giang tổ chức kết nạp đảng viên.
SEA Games 27 năm 2013 là Đại hội đầu tiên Nguyễn Thị Oanh tham dự và vận động viên này đã giành Huy chương Bạc nội dung 3.000m chướng ngại vật nữ. SEA Games 28 năm 2015, Oanh không tham dự vì vấn đề sức khỏe, tưởng chừng như đã phải chia tay sự nghiệp. SEA Games 29 năm 2017 tại Malaysia, Nguyễn Thị Oanh lần đầu giành Huy chương Vàng cá nhân tại một kỳ Đại hội thể thao khu vực. Khi ấy, "ốc tiêu" lập cú đúp vô địch nội dung 1.500m và 5.000m nữ.
Tới SEA Games 30 năm 2019 tại Philippines, Nguyễn Thị Oanh tỏa sáng rực rỡ ở đấu trường Đông Nam Á khi giành 3 Huy chương Vàng tại nội dung 1.500m, 5.000m và 3.000m chướng ngại vật. Kết quả trên tiếp tục được bảo vệ thành công tại SEA Games 31 ở Việt Nam vào năm 2022.
Trong hành trình các giải đấu của khu vực và quốc tế, Nguyễn Thị Oanh có 1 Huy chương Đồng tại ASIAD 18 năm 2018 ở Indonesia. Đầu năm 2023, Nguyễn Thị Oanh dự Giải điền kinh trong nhà vô địch châu Á 2023 và giành Huy chương Vàng nội dung 1.500m.
Tại kỳ SEA Games 32, cá nhân Nguyễn Thị Oanh có 4 HCV nội dung 5.000m, 1.500m, 3.000m chướng ngại vật nữ và 10.000m.