Ihr dritter Spielfilm "Nomadland", eine Adaption des 2017 erschienenen Buchs "Nomaden der Arbeit: Überleben in den USA im 21. Jahrhundert" aus der Feder der amerikanischen Journalistin Jessica Bruder, mit Frances McDormand in der Hauptrolle, gewann bei den Internationalen Filmfestspielen von Venedig mit dem Goldenen Löwen den Hauptpreis des Festivals. Darüber hinaus feierte der Film im September 2020 in einer gleichzeitigen Vorführung beim Toronto International Film Festival seine Premiere und gewann dort den "People's Choice Award". Am Abend desselben Tages wurde der Film beim Telluride Film Festival vorgestellt und später beim New York Film Festival gezeigt. Aus dem "IndieWire" Critics Poll 2020 ging Zhao für ihre Regiearbeit als Erstplatzierte hervor. Auch gewannen der Film und Zhao als Regisseurin den Golden Globe Award. Damit ist Zhao die zweite Frau (und die erste Frau ostasiatischer Herkunft) in der langen Geschichte der Golden Globes, die diese renommierte Auszeichnung erhielt. Bei der Oscarverleihung 2021 erzielte "Nomadland" drei Oscars und drei Nominierungen, wobei Zhao selbst in den Kategorien "Beste Regie" und "Bester Film" gewann. Auch hier war sie erst die zweite Frau, welche den Regie-Preis bekam. Außerdem wurde sie für Oscars in den Kategorien "Bestes adaptiertes Drehbuch" und "Bester Schnitt" nominiert.