Nilsson va guanyar quatre medalles als Jocs Olímpics de 2018 a Pyeongchang. El 13 de febrer es va convertir en campiona olímpica, havent guanyat la medalla d'or en l'esprint individual. El 17 i 21 de febrer, respectivament, va guanyar medalles de plata en el releu de 4 × 5 km.
(amb Anna Haag, Charlotte Kalla i Ebba Andersson) i en el sprint d'equip (amb Charlotte Kalla). El 25 de febrer Nilsson va guanyar la medalla de bronze en la classificació de 30 km. També va acabar 10a en l'esquiatló de 15 km. Va acabar en segon lloc a la Copa del Món de Sprint 2017-2018, havent guanyat tres esdeveniments de sprint individuals durant la temporada.