Bij haar wereldbekerdebuut, in maart 2012 in Drammen, scoorde Nilsson direct haar eerste wereldbekerpunten. In februari 2013 behaalde de Zweedse in Davos haar eerste top tien-klassering in een wereldbekerwedstrijd. Op de wereldkampioenschappen langlaufen 2013 in Val di Fiemme eindigde ze als vijfde op de sprint. Tijdens de Olympische Winterspelen van 2014 in Sotsji eindigde Nilsson als tiende op de sprint, op het onderdeel teamsprint veroverde ze samen met Ida Ingemarsdotter de bronzen medaille. In maart 2014 stond de Zweedse in Drammen voor de eerste maal in haar carrière op het podium van een wereldbekerwedstrijd.
In Falun nam Nilsson deel aan de wereldkampioenschappen langlaufen 2015. Op dit toernooi sleepte ze de zilveren medaille in de wacht op de sprint. Samen met Ida Ingemarsdotter behaalde ze de zilveren medaille op de teamsprint, op de estafette legde ze samen met Sofia Bleckur, Charlotte Kalla en Maria Rydqvist beslag op de zilveren medaille. Op 13 december 2015 boekte de Zweedse in Davos haar eerste wereldbekerzege. Op de wereldkampioenschappen langlaufen 2017 in Lahti eindigde ze als twaalfde op sprint, als dertiende op de 10 kilometer klassieke stijl en als 26e op de 15 kilometer skiatlon. Op de estafette veroverde ze samen met Anna Haag, Charlotte Kalla en Ebba Andersson de zilveren medaille, samen met Ida Ingemarsdotter eindigde ze als vierde op de teamsprint. Tijdens de Olympische Winterspelen van 2018 in Pyeongchang werd Nilsson olympisch kampioene op de sprint. Daarnaast behaalde ze de bronzen medaille op de 30 kilometer klassieke stijl en eindigde ze als tiende op de 15 kilometer skiatlon. Op de teamsprint legde ze samen met Charlotte Kalla beslag op de zilveren medaille, samen met Anna Haag, Charlotte Kalla en Ebba Andersson sleepte ze de zilveren medaille in de wacht op de estafette.
In Seefeld nam de Zweedse deel aan de wereldkampioenschappen langlaufen 2019. Op dit toernooi veroverde ze de zilveren medaille op de sprint. Op de teamsprint werd ze samen met Maja Dahlqvist wereldkampioen, samen met Ebba Andersson, Frida Karlsson en Charlotte Kalla behaalde ze de wereldtitel op de estafette.
Op 22 maart 2020 besloot Nilsson over te stappen naar biatlon. Op 14 januari haalde Nilsson haar eerste podium in een wereldbeker in de 4×6 km estafette samen met Johanna Skottheim, Mona Brorsson en Anna Magnusson in Ruhpolding. Op 5 maart 2022 behaalde ze haar eerste individuele podiumplek in een wereldbeker door derde te worden op de 7,5 km sprint in Kontiolahti.