Erste internationale Erfahrungen sammelte Nobuya Katō im Jahr 2014, als er bei den Hallenweltmeisterschaften in Sopot mit der japanischen 4-mal-400-Meter-Staffel mit 3:12,63 min im Vorlauf ausschied. Im Juli gewann er bei den Juniorenweltmeisterschaften in Eugene in 46,17 s die Silbermedaille über 400 Meter und auch mit der Staffel sicherte er sich in 3:04,11 min die Silbermedaille. Daraufhin belegte er bei den Asienspielen in Incheon in 46,13 s den fünften Platz im Einzelbewerb und siegte mit der Staffel in 3:01,88 min gemeinsam mit Yūzō Kanemaru, Kenji Fujimitsu und Shōta Iizuka. Im Jahr darauf gewann er mit der Staffel bei der Sommer-Universiade in Gwangju in 3:07,75 min die Silbermedaille hinter dem dominikanischen Team und 2016 schied er bei den Olympischen Sommerspielen in Rio de Janeiro mit 3:02,95 min im Vorlauf aus. 2024 beendete er seine aktive sportliche Karriere im Alter von 29 Jahren.
Japan
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