Coba jelasin Karier dari Nao Kosaka dong

Pada 13 Agustus 2017, Kosaka lulus audisi untuk anggota baru subgrup Keyakizaka46, Hiragana Keyakizaka46 dan masuk ke grup sebagai anggota generasi kedua. Dia memulai debutnya di lagu "No War in the Future", sisi-B dari "Kaze ni Fukarete mo". Pada 19 Mei 2018, Kosaka melakukan debut runway di acara GirlsAward 2018 SPRING/SUMMER. Seventeen mengumumkan dua hari kemudian bahwa dia akan menjadi salah satu model eksklusif majalah tersebut.

Setelah Hiragana Keyakizaka46 diganti namanya menjadi Hinatazaka46 pada Februari 2019, Kosaka terpilih untuk menduduki posisi center (penampil utama) di lagu utama single debut mereka, "Kyun". Ia terus memegang posisi tersebut hingga singel keempat berjudul "Sonna Koto Nai yo".

Kosaka berperan sebagai karakter utama dalam film misteri tahun 2019, The Japanese Doll (恐怖人形, Kyōfu Ningyō). Dia muncul di Jump!! The Heroes Behind the Gold, sebuah film tahun 2021 tentang lompat ski di Olimpiade Musim Dingin 1998, di mana karakternya didasarkan pada pelompat ski Yoshiko Yoshiizumi; Hominis berkomentar bahwa meskipun tampil bersama pemeran yang lebih berpengalaman, dia mempertahankan kehadiran uniknya dengan berakting "dari hati".

Buku foto tunggal Kosaka, yang diproduksi oleh staf redaksi majalah Seventeen, dirilis pada 29 Juni. Buku tersebut menempati posisi pertama dalam peringkat penjualan buku foto Oricon tahun 2021 dengan penjualan 166.876 eksemplar. Sebagai penggila dinosaurus, pada bulan yang sama ia juga ditunjuk sebagai duta pameran Sony DinoScience, yang akan diadakan dari Juli hingga September di Pacifico Yokohama. Namun, dia absen pada 26 Juni karena alasan kesehatan dan tidak berpartisipasi di sisa acara; dia juga tidak muncul di single keenam Hinatazaka46, "Tteka". Kosaka mengumumkan dimulainya kembali aktivitasnya pada 4 Maret 2022 dan juga kembali ke posisi tengah untuk judul lagu single ketujuh Hinatazaka46 "Boku Nanka", terlepas dari "perasaan campur aduk" tentang penunjukan tersebut.

Dalam survei akhir tahun 2021 oleh Talent Power Ranking, Kosaka menduduki peringkat ketujuh aktris remaja terpopuler di Jepang (di bawah dua puluh tahun per Februari 2022) berdasarkan pengakuan dan minat publik.