Es traslladà a Barcelona a treballar de mecànic a Bultaco. Abandonà la marca i aconseguí el seu primer contracte professional amb Derbi, on s’acabà de formar com a pilot. El 1967 guanyà els seus primers Campionats d’Espanya de velocitat, en 50 cc i 125 cc. Guanyà vint-i-un Campionats d’Espanya més en diferents cilindrades, quatre en 50 cc (1970, 1971, 1972, 1976), nou en 125 cc (1968, 1971-78) i vuit en 250 cc (1969, 1971-75, 1980, 1981). Fou campió del món tretze vegades, sis en 50 cc (1969, 1970, 1972, 1975, 1977) i set en 125 cc (1971, 1972, 1979, 1981, 1984), i quatre cops subcampió mundial (tres en 125 cc i un en 50 cc). Guanyà noranta grans premis (vint-i-set en 50 cc, un en 80 cc i seixanta-dos en 125 cc) i assolí 139 podis entre les tres categories. Competí per a les marques Derbi (des del 1964 fins al 1972), Morbidelli (1973), Kreidler (fins al 1975), Bultaco (fins al 1978), Minarelli (fins al 1981) i Garelli (fins al 1986).
Es retirà el 1987 i, el mateix any, formà l’escuderia Team Ducados Ángel Nieto, on pilotaren Carles Cardús, Albert Puig i Julián Miralles. L’any següent es dissolgué, però el 1998 tornà a les competicions com a director tècnic de l’equip Via Digital Team. Amb aquest equip, Emili Alzamora fou campió del món de 125 cc (1999). Fou també comentarista en les retransmissions de curses en diversos mitjans de comunicació. Rebé l’orde olímpic, el premi nacional de l’esport (1981), la medalla d’or de la Federació Internacional de Motociclisme i la gran creu del Reial Orde del Mèrit Esportiu, entre altres guardons. L’any 2005 es produí un documental biogràfic dirigit per Álvaro Fernández Armero titulat Ángel Nieto: 12+1.