Mie Nielsen errang 2011 erstmals internationale Medaillen, als sie bei der Junioren-EM in Belgrad zwei Gold- und je eine Silber- und Bronzemedaille gewann. Im gleichen Jahr debütierte sie bei den Kurzbahneuropameisterschaften im Seniorenbereich und gewann mit den dänischen Staffeln Gold und Silber über 4×50 m Lagen bzw. Freistil sowie einzeln Bronze über 100 m Rücken und Lagen. 2012 vertrat sie ihr Land im Alter von 15 Jahren bei den Olympischen Spielen in London, wo sie mit den dänischen Freistil- und Lagenstaffeln Rang 6 bzw. 7 erreichte. Bei ihren Einzelstarts über 100 m sowie 200 m Rücken kam sie nicht über die Vorläufe hinaus. Außerdem trat sie 2012 erstmals bei Kurzbahnweltmeisterschaften an und gewann mit Gold über 4×100 m Lagen, Silber über 100 m Rücken und Bronze über 4×100 m Freistil einen kompletten Medaillensatz.