Al suo primo Campionato del Mondo nel 1974, contribuì alla conquista dell’oro da parte dell’URSS, ma partecipò all’all-around con una caviglia slogata che peggiorò al volteggio. Era determinata a superare il dolore alla caviglia per vincere l’oro alla trave, l’unica finale alla quale si era qualificata. Per salvaguardare la caviglia scelse di non partecipare alle prove e la scelta si rivelò giusta visto che vinse il titolo davanti alla Turischeva e alla Korbut. In quell’occasione disse di essere impaziente di tornare a casa per mostrare la medaglia alla sua famiglia. In effetti non ha mai realmente pensato di gareggiare per il suo paese, ma soltanto per sé stessa e per il suo allenatore. I Campionati Europei del 1975 mostrarono il duello ‘Nellie contro Nadia’: la Kim riuscì a battere Nadia soltanto nella finale al corpo libero. Un anno dopo, ad un incontro preparatorio alle Olimpiadi, Nellie arrivò ancora seconda dietro a Nadia, ma vinse le finali agli attrezzi confermandosi perfetta rivale della Comaneci per il titolo olimpico.
Nellie arriva alle Olimpiadi di Montreal con dei problemi al volteggio. Un documentario mostra la ginnasta in discussione con l’allenatore (evento rarissimo in Unione Sovietica) e nella sua biografia la Kim ammette che attorno a quelle Olimpiadi c’era troppa tensione. Alle Olimpiadi fu l’Unione Sovietica a vincere l’oro, ma nel concorso individuale fu ancora la Comaneci ad avere la meglio, nonostante lo storico 10.00 della Kim al volteggio. Alle finali di specialità conquistò però il titolo al volteggio, e al corpo libero con un 10.00. Dopo le Olimpiadi la fama della Kim crebbe e mentre i fans apprezzavano l’esuberanza di Olga, la grazia di Ludmilla e l’intensità di Nadia, Nellie aveva tutte e tre le qualità.
Nel suo secondo Campionato Europeo la Kim arrivò terza dietro alla Comaneci e ad Elena Mukhina, ma l’anno seguente, al Campionato del Mondo del 1978, Nellie rubò l’argento alla sua compagna di squadra.
Nel 1978 Nellie non riuscì a gareggiare molto perché le venne diagnosticata un’ulcera che la costrinse molto tempo all’ospedale. Non le piaceva sentirsi dire che non sarebbe mai più tornata in forma e chiese al dottore di essere chiaro sulla possibilità di tornare ad allenarsi: l’anno dopo disputò il suo migliore Campionato del Mondo. La squadra sovietica arrivò alla gara colpita da infortuni e perdendo alcune pedine importanti come la Mukhina. L’energica, ma anch’essa decimata squadra rumena, vinse l’oro, infliggendo all’URSS la prima sconfitta dal lontano 1960. Forse spronata dalla sconfitta, inseguendo il titolo individuale, la Kim ammise per la prima volta di gareggiare anche per il suo paese e non solo per sé stessa. Nellie vinse l’oro e diverse medaglie alle specialità.
Sorprendente e senza motivo il fatto che le autorità sovietiche scoraggiarono la partecipazione della campionessa del mondo in carica alle Olimpiadi del 1980 a Mosca. Senza tenerne conto Nellie fece parte della giovane e rinnovata squadra e la guidò alla vittoria, vendicando la sconfitta dell’anno prima. Nelle finali individuali la Kim rimase all’asciutto fino alla gara al corpo libero, dove in un’altra controversa decisione di quei Giochi, vinse l’oro a pari merito con la Comaneci. Salendo sul podio si dice che Nellie abbia detto a Nadia “Questo è tutto. È tempo di andare giusto?” e Nadia rispose “Si, è tempo di andare”. Sembra che in tutta la loro lunga carriera da rivali queste siano le uniche parole che si siano scambiate.
Dopo i Giochi la Kim si ritirò a Minsk, in Bielorussia, e iniziò la carriera da allenatrice e da giudice. Ha giudicato molte importanti competizioni internazionali, tra cui le Olimpiadi del 1988, fino a che le venne revocata temporaneamente la licenza per aver favorito le ginnaste sovietiche. Ma dal 1996 è il Presidente del Comitato Tecnico di Ginnastica Artistica Femminile, che coordina l’introduzione di nuove regole e del nuovo Codice dei Punteggi.