Kolmanteen elokuvaan Zhao sai inspiraation Jessica Bruderin kirjasta "Nomadland: Surviving America in the Twenty-First Century". Sen päähenkilö Fern menetti miehensä ja omaisuutensa maailmanlaajuisen taantuman takia. Fern päättää elää pakettiautossansa, tehdä kausitöitä ja tutustua Yhdysvaltain maaseudun erämaihin. "Nomadlandin" ensi-ilta oli vuonna 2020 Venetsian elokuvajuhlilla, missä se myös sai festivaalin pääpalkinnon, Kultaisen leijonan. Elokuva on palkittu useita kertoja myös sen jälkeen, ja Golden Globe -gaalassa se sai muun muassa parhaan draamaelokuvan ja parhaan ohjauksen palkinnot. Zhao oli vasta toinen nainen, joka palkittiin ohjauksen Golden Globella. Ensimmäinen oli Barbra Streisand vuonna 1984. Elokuva oli vuoden 2021 Oscar-gaalan palkituin elokuva, joka voitti kolme merkittävimmistä oscareista, mukaan luettuna paras elokuvan ja paras ohjauksen oscarin.