Nordhaug ble foran 2010-sesongen hentet til nystartede Sky Professional Cycling Team. I Sky hadde Nordhaug god fremgang. I 2012 fikk han sin første proffseier, han hadde også sterke prestasjoner i noen av vårklassikerne i samme år. Han hadde også gode plasseringer sammenlagt i etapperittene Baskerland rundt, Tour of Norway og Critérium International. Det gjorde at han fikk oppmerksomhet fra flere av de større og gode profesjonelle lagene.