Bei der Weltmeisterschaft 2015 in Kasan gewann Nielsen die Bronzemedaille über 100 m Rücken hinter den Australierinnen Emily Seebohm und Madison Wilson und verbesserte im Halbfinale ihren eigenen dänischen Rekord. Über 50 m Rücken konnte sie ebenfalls im Halbfinale ihren eigenen Landesrekord unterbieten und belegte im Finale Rang 5. Einen weiteren fünften Rang belegte sie mit der dänischen Staffel über 4×100 m Lagen. 2016 gewann Nielsen bei den Europameisterschaften in London erneut Gold über 100 m Rücken und setzte sich dabei gegen Katinka Hosszú durch, wobei sie in 58,73 Sekunden einen neuen Europameisterschaftsrekord aufstellte. Außerdem gewann sie Silber über 50 m Rücken und wurde Fünfte mit der Staffel über 4×100 m Freistil.