2010年のヨーロッパカデ63㎏級で2位になると、2011年からヨーロッパジュニアで2連覇した。その後階級を70㎏級に上げると、2013年の世界ジュニア個人戦では準決勝で新井千鶴に敗れるも3位、団体戦では決勝の日本戦で新井を破るもチームは2位にとどまった。2014年の世界団体では準決勝の日本戦で田知本遥を背負投で破るなどしてチームの優勝に貢献した。2015年のユニバーシアードとグランドスラム・パリでは3位だった。その後に階級を63㎏級に下げると、2016年にはグランプリ・サムスンとグランプリ・アルマトイで優勝、グランドスラム・東京では3位になった。2017年のヨーロッパ選手権個人戦では2位だったが、団体戦で優勝した。その後階級を再び70㎏級に上げると、2018年のグランドスラム・アブダビで優勝、グランドスラム・大阪では準決勝で世界チャンピオンの新井に敗れるも3位になった。2019年のグランドスラム・パリでは準決勝で新添左季を破るも、決勝で大野陽子にGSに入ってから反則負けして2位だった。ヨーロッパ競技大会では優勝した。東京で開催された世界選手権では準決勝でポルトガルのバルバラ・ティモに敗れるも3位になった。IJF世界ランキングは2482ポイント獲得で17位(19/4/22現在)。
ヌルミの国際でのデビューは1920年8月にベルギーで行われた1920年アントワープオリンピックである。彼は5000メートル競走でフランスのジョゼフ・ギルモ選手に負けて初のオリンピックメダルとなる銀メダルを獲得した。ヌルミがオリンピックでフィンランド以外の選手に負けたのはこれ1回きりとなった。彼は残りの3競技で全て金メダルを得た。10000メートル競走では最後のコーナーでギルモを抜き去り、個人記録を1分以上更新した。クロスカントリー個人ではスウェーデンのエリック・ベックマンを破り、クロスカントリー団体ではヘイッキ・リーマタイネンとテオドル・コスケンニエミとともにイギリスとスウェーデンに勝利した。ヌルミが勝利したことで家族は少し裕福になり、電灯と水道水を使えるようになった。ヌルミ自身は奨学金を与えられ、ヘルシンキのテオッリスースコウル工業学校に進学した。ギルモに敗北したヌルミは様々な試合を実験として行い、細かく分析した。ヌルミはそれまで最初の数周における猛烈な先行で知られたが、彼はストップウオッチを持って走るようになり、全距離を通じて等速で走るよう努力した。彼は走りのテクニックを完璧なまでに高め、それは相手の成績が彼の順位に影響しなくなるほどだった。ヌルミは1921年にストックホルムで自身初となる世界記録を10000メートル競走で作った。1922年には2000メートル、3000メートル、5000メートル競走の世界記録を塗り替えた。さらに1923年に1500メートル競走と1マイル競走の世界記録を更新した。1マイル、5000メートル、10000メートル競走の世界記録を同時に保有したのは2017年時点でヌルミただ1人であった。ヌルミは800メートル走にも挑戦、1923年のフィンランド選手権をフィンランド記録を更新しつつ勝利した。ヌルミは数学を学んで優秀な成績を上げた後、1923年にエンジニアとして卒業、うちに戻って次のオリンピックを準備した。ヌルミが1924年春にひざを怪我したことで1924年パリオリンピックの参加が一時危うくなったが、彼は回復して1日2回のトレーニングを再開した。6月19日、ヌルミはオリンピックのスケジュールを試そうとしてヘルシンキのエラインタルハ競技場で1500メートルと5000メートルを1時間内に走り、両方とも世界記録を更新した。パリのオリンピックで行われた1500メートル競走の決勝戦では最初の800メートルを世界記録更新の時よりも3秒ほど早く走った。ヌルミに挑戦できたのはアメリカのレイ・ワトソンだけだったが、最後の一周で諦めたため、ヌルミは速度を少し落としつつヴィリー・シェーラー、ハイラ・ブリストー・ストーラード、ダグラス・ロウに勝利 、それでもオリンピック記録を3秒下回って更新した。しかし、5000メートル競走は1500メートル競走から2時間未満で開始、すでに3000メートル障害と10000メートル競走で金メダルを獲得した、同じくフィンランド出身のビレ・リトラが強敵として立ちはだかった。リトラとエドヴィン・ヴィーデはヌルミがきっと疲れていると考え、世界記録のペースで走って彼にエネルギーを使い果せようとした。時計ではなく2人の男と競争していたことがわかると、ヌルミはストップウオッチを傍らの草に放り投げた。やがてヴィーデのペースが遅くなり、ヌルミとリトラのみが競争を継続した。最後の直線ではリトラが外側から走ったが、ヌルミもペースを上げてリトラを1メートル後ろに維持して勝利した。一方、クロスカントリー競走では45度という酷暑だったため競走者38人のうち15人がリタイヤ、完走した走者でも8人がストレッチャーで運ばれた。走者の1人が終点のある競技場に着くと小さな円をぐるぐると走り、やがて観覧席に当たって人事不省に陥った。ヴィーデは最初にはリードしたが失神してしまい、病院で死去したとの誤報があったほどだった。ヌルミはリトラをほぼ1分半リードして勝利した後も少し疲れたように見えただけだった。フィンランドがクロスカントリー団体のメダルを失ったように見えた中、ヘイッキ・リーマタイネンが混乱しつつ千鳥足で競技場に入った。しかし、千鳥足であったためほとんど進めていなかった。リーマタイネンの前を走っていた選手が終点まで後50メートルのところで失神したため、リーマタイネンは終点に着いたと勘違いして走りを止め、競走路の外に出ようとした。観客たちは叫んだが彼に無視された。観客たちがはらはらする中、彼はようやく自分の置かれた状況が分かり、方向転換して12位でゴール、団体戦の金メダルを確保した。競技場にいた人々はこの光景に衝撃を受け、オリンピック当局はそれ以降のオリンピックでクロスカントリー競走を禁止した。翌日の3000メートル団体ではヌルミとリトラが再び1位と2位となり、エリアス・カッツが5位でゴールしたおかげで団体戦の金メダルを獲得した。ヌルミは5種目で金メダルを5個獲得したが、フィンランド当局がスター走者の間で種目を分配、最愛の10000メートル競走を走れなかったためそのことを苦々しく思っていた。そして、フィンランドに戻ると、ヌルミは10000メートル世界記録を更新、以降ほぼ13年間破られなかった。彼は今や1500メートル、1マイル、3000メートル、5000メートル、10000メートルの世界記録を同時に保持した。