Нобуо Сато начал кататься в 11 лет, а свой первый национальный чемпионат выиграл в пятнадцать. Он участвовал в Зимних Олимпийских играх 1960 и 1964 гг., в 1965 году был четвёртым на чемпионате мира. В настоящее время работает тренером, причем добился на этом поприще выдающихся успехов. Женат на фигуристке Кумико Сато (урожд. Окава), которая также стала тренером. Фактически Нобуо Сато с женой стали одними из тех, кто создал современное японское фигурное катание. Их дочь Юка Сато стала чемпионкой мира в 1994 году.