Tài năng của Ánh Viên bắt đầu khiến cả làng bơi phải chú ý từ nửa cuối năm 2011. Sau thời gian tập huấn cùng đội tuyển, nữ kình ngư người Cần Thơ đã giành được 10 Huy chương Vàng (HCV) trong 10 nội dung đăng ký thi đấu tại Giải bơi lội các nhóm tuổi vô địch toàn quốc, 7 trong số đó là kỷ lục quốc gia.

Đến Giải vô địch các nhóm tuổi Đông Nam Á sau đó, Ánh Viên tiếp tục phá 2 kỷ lục khu vực và giành 6 HCV cùng danh hiệu vận động viên xuất sắc nhất. Tại SEA Games 26 tổ chức tại Indonesia, cô đã giành được 2 Huy chương Bạc ở nội dung 100m bơi ngửa và 400m hỗn hợp. Đó là những thành tích quá đỗi ấn tượng của cô gái mới 15 tuổi.

Năm 2012, Nguyễn Thị Ánh Viên phá chuẩn B Olympic ở nội dung 200m bơi ngửa với thời gian 2 phút 13 giây 66, giành HCV, vượt 4 chuẩn B Olympic tại Giải bơi lội Đông Nam Á. Ánh Viên đã đại diện cho Việt Nam tại Thế vận hội Mùa hè 2012, trong các môn 200m bơi ngửa và 400m bơi hỗn hợp cá nhân. 

Một năm sau đó, tại Đại hội Thể thao trẻ châu Á lần 2 diễn ra ở Nam Ninh, Trung Quốc, Ánh Viên giành được 3 HCV và 1 HCB. Tại SEA Games 27 diễn ra ở Myanmar, "tiểu tiên cá" còn đi vào lịch sử bơi lội Việt Nam khi trở thành nữ vận động viên đầu tiên giành được tấm HCV môn bơi lội sau 54 năm (từ SEAP Games đầu tiên vào năm 1959).

Kết thúc kỳ đại hội thể thao Đông Nam Á, cô gái người Cần Thơ giành được 6 huy chương (3 HCV, 2 HCB, 1 HCĐ), phá 2 kỷ lục Sea Games ở các cự ly 200m ngửa (2 phút 14 giây 80) và 400m hỗn hợp (4 phút 46 giây 16). Không chỉ được bình chọn là "Ấn tượng vàng SEA Games 27", Ánh Viên còn trở thành là nữ hoàng đường đua xanh khu vực.

Sau khi đoạt thêm 4 HCV và 2 HCB, đồng thời phá kỷ lục nội dung 400m hỗn hợp tại Giải bơi Mùa xuân bang Florida, Mỹ (tháng 3.2014), Ánh Viên được Bộ tư lệnh Quân khu 9 tặng danh hiệu Chiến sĩ thi đua cấp cơ sở và Bộ Quốc phòng thăng quân hàm từ Thượng úy lên Đại úy trước niên hạn. Năm đó, cô mới chỉ 18 tuổi.

Tháng 8.2014, Ánh Viên đoạt HCV Olympic trẻ nội dung 200m hỗn hợp. Một tháng sau, cô tiếp tục đoạt thêm 2 HCĐ nội dung 200m ngửa và 400m hỗn hợp tại Đại hội thể thao Châu Á (Asian Games 2014).

Mỗi kỳ SEA Games diễn ra, Ánh Viên luôn dẫn đầu đoàn thể thao Việt Nam về số lượng HCV. Đỉnh cao nhất là tại SEA Games 2015, cô giành tới 8 HCV, 1 HCB, 1 HCĐ và phá 8 kỷ lục của Đại hội. 2 năm sau đó, dù không còn đạt phong độ cao nhất, cô vẫn giành tới 8 HCV. Đến năm 2019, kình ngư người Cần Thơ sụt giảm thành tích khi chỉ giành được 6 HCV. Tuy nhiên, chừng đó cũng đủ để cô trở thành "Vận động viên xuất sắc nhất của SEA Games 30".

Ánh Viên cũng thi đấu rất tốt trong màu áo đoàn thể thao Quân đội. Tại Đại hội Thể thao Quân sự Thế giới 2015 ở Hàn Quốc, "tiểu tiên cá" giành 1 HCV nội dung 200m hỗn hợp, 1 HCB nội dung 800m tự do, 1 HCĐ nội dung 200m ngửa. 

Ngoài ra, số HCV cô giành được từ hệ thống các giải quốc nội có thể lên tới hàng trăm. Điển hình như tại giải bơi vô địch quốc gia năm 2020, Ánh Viên giành tới 14 HCV trong tổng 17 HCV của đoàn Quân đội. Chỉ riêng thành tích cá nhân kình ngư sinh năm 1996 đã bằng toàn bộ số HCV mà các đoàn nằm ngoài Top 3 đạt được.

Mới hồi tháng 4.2021, tại giải vô địch quốc gia bể 25m ở Thừa Thiên - Huế, Ánh Viên giành tổng cộng 15 HCV, 1 HCB ở nội dung cá nhân, 2 HCV và 2 HCB ở nội dung tiếp sức. Với những đóng góp của Ánh Viên, đoàn Quân đội giành ngôi nhất toàn đoàn với 22 HCV, 11 HCB và 7 HCĐ.