1971 belegte Nobuyuki Satō hinter Kaneo Iwatsuri den zweiten Platz bei den japanischen Meisterschaften. Bei den Weltmeisterschaften 1971 in Ludwigshafen bezwang er im Halbschwergewicht sowohl Helmut Howiller aus der DDR als auch Paul Barth aus der BRD, im Finale unterlag er seinem Landsmann Fumio Sasahara. 1972 belegte er bei den japanischen Meisterschaften den dritten Platz. 1973 bei den Weltmeisterschaften 1973 in Lausanne schlug er für den Finaleinzug den Briten David Starbrook und den Brasilianer Chiaki Ishii, den Titel gewann er durch den Finalsieg über seinen Landsmann Takafumi Ueguchi. 1974 siegte Satō bei den japanischen Meisterschaften.