Nobuyuki Satō belegte bei den japanischen Meisterschaften 1967 den zweiten Platz hinter Isao Okano. Bei den Weltmeisterschaften 1967 in Salt Lake City bezwang er im Finale seinen Landsmann Osamu Satō und gewann den Titel. 1968 erreichte Nobuyuki Satō den dritten Platz bei den japanischen Meisterschaften. 1969 trat er bei den Weltmeisterschaften 1969 in Mexiko-Stadt in der offenen Klasse an und verlor nur gegen den Niederländer Willem Ruska, durch seinen Sieg über den Franzosen Jean-Luc Rougé gewann er eine Bronzemedaille.