Pada tahun 2016, dia memenangkan Kejuaraan Bulu Tangkis All England dan menjadi pemain tunggal putri Jepang pertama yang memenangkan turnamen tersebut selama 39 tahun terakhir. Di babak final, dia mengalahkan pebulu tangkis asal Tiongkok, Wang Shixian dengan skor 21-11, 16-21, 21-19. Dia juga meraih medali perunggu pada Olimpiade Musim Panas 2016. Setelah dikalahkan P. V. Sindhu di babak semi final, Nozomi langsung dinyatakan meraih medali perunggu setelah peraih medali emas Olimpiade sebelumnya Li Xureui, yang menjadi lawannya di babak perebutan tempat ketiga, tidak dapat mengikuti pertandingan karena cedera. Dalam nomor beregu, Jepang meraih peringkat kedua di Piala Sudirman 2015 setelah dikalahkan Republik Rakyat Tiongkok di babak final. Di Piala Uber 2016, Nozomi yang menjadi bagian dari tim Jepang, hanya mencapai babak semi final setelah dikalahkan tim Korea Selatan dengan skor 3-1. Pada pertandingan ini, Nozomi dikalahkan pemain tunggal putri andalah Korea Selatan, Sung Ji-hyun dengan skor 21-13, 21-13.