Niels Fredborg war der dominierende Amateur-Bahnradsportler Dänemarks insbesondere in den Kurzzeitdisziplinen von Mitte der 1960 bis Mitte der 1970er Jahre. Er errang allein 27 nationale Titel in den Disziplinen Mannschaftsverfolgung, Sprint, 1000-Meter-Zeitfahren und Tandemrennen. 1967 wurde Fredborg erstmals Weltmeister in seiner Spezialdisziplin, dem 1000-Meter-Zeitfahren. Er verteidigte seinen Titel bei den UCI-Bahn-Weltmeisterschaften 1968, wo er außerdem noch Vizeweltmeister im Bahnsprint hinter Daniel Morelon wurde. Bei den Olympischen Spielen 1968 unterlag er im 1000-Meter-Zeitfahren mit einer Zeit von 1:04,61 min dem sieben Zehntelsekunden schnelleren Franzosen Pierre Trentin. 1970 wurde Fredborg erneut Weltmeister über 1000 m und Vizeweltmeister im Bahnsprint, wieder hinter Morelon. Bei den Olympischen Sommerspielen 1972 gewann Fredborg die Goldmedaille im 1000-Meter-Zeitfahren mit einer Zeit von 1:06,44 min vor dem Australier Danny Clark, dem späteren Spezialisten für Sechstagerennen. 1976 in Montreal gelang es Fredborg nicht, seinen Olympiasieg zu wiederholen, hinter Klaus-Jürgen Grünke und Michel Vaarten errang er lediglich die Bronzemedaille.