Seinen internationalen Durchbruch hatte Norihito Kobayashi vor den Olympischen Spielen 2006 von Turin. In Harrachov kam er als Vierter im Sprint erstmals unter die besten Zehn, im Gundersen-Wettbewerb wurde er zudem Neunter. Bei Olympia erreichte er kurz darauf in Pragelato den 16. Rang im Gundersen-Wettbewerb und wurde 18. im Sprint. Mit der Staffel belegte er den sechsten Platz. In mehr als 70 Weltcup-Starts kam Kobayashi bislang neunmal unter die besten Zehn. Bei den Heimweltmeisterschaften 2007 in Sapporo wurde er mit der Mannschaft Achter, im Gundersenwettbewerb 25. und belegte im abschließenden Sprint den 26. Platz. Bei der Nordischen Ski-WM 2009 in Liberec gelang ihm sein größter Erfolg, als er sich als Schlussläufer in der 4x5-km-Staffel im Fotofinish gegen den Deutschen Tino Edelmann durchsetzen konnte und somit das japanische Kombinierer-Team zu Gold führte. In den beiden Gundersenwettbewerben wurde er Fünfter von der Normal- und 16. von der Großschanze, während er im Massenstartwettbewerb den 17. Platz erreichte.