Nesterenko ble den første ikke-amerikanske utøveren siden OL 1980 som vant OL-gull på 100 meter, noe hun oppnådde under OL 2004 i Athen. Hun satte også personlig rekord på 10,92 under OL. I VM i Helsingfors 2005 ble Nesterenko nummer 8 i finalen, men var med på det hviterussiske laget som tok bronse på 4 x 100 meter. I EM i Göteborg 2006 endte Nesterenko på sjetteplass i 100-metersfinalen, men igjen var hun med på å ta stafettbronse. I tillegg har Nesterenko en individuell bronsemedalje på 60 meter fra innendørs-VM 2004.