Az elsők között volt, akik szisztematikus edzésterv alapján készültek. Az egyes források eltérnek egymástól a pontos edzésmunka tekintetében, az azonban biztos, hogy a futás mellett nagyon sokat gyalogolt (általában 8 perc/km-es tempóban) és erősítő gyakorlatokat is végzett. Pályája kezdetén késő ősztől kora tavaszig egyáltalán nem edzett, a gyorsító edzésekkel szintén csak később ismerkedett meg. Technikájának javítása és lépéshosszának növelése érdekében egy időben olyan edzéseket is végzett, hogy a lassan haladó tehervonatok hátsó ütközőjét elkapva futott a vonat után, ezáltal gyorsabban és nagyobbakat lépve haladt, mint amire önállóan képes lett volna. Komoly újítása volt és idővel a védjegyévé is vált a stopperórával futás. Minden versenyén a jobb kezében vitte a legendás órát, figyelte a köridőket, folyamatosan számolt, megdöbbentve ezzel a sporttársait és a korabeli edzőket is. Saját elmondása szerint elég volt az adott táv első két körének idejét megnéznie, ebből már meg tudta mondani a pontos célidőt. 

 

Első komoly eredményét, a 3000 m-es finn csúcsot (8:36,2) 1920 május 29-én, az olimpia felkészülés jegyében érte el. Az 1920-as antwerpeni olimpia tette világszinten ismertté, hazájában Kolehmainen szintű hőssé. Első döntőjében, az 5000 m-en még lehajrázta a francia Joseph Guillemot, de aztán nem volt megállás, aranyérmet nyert 10000 m-en, majd a 8000 m-es mezei futásban, ebben a számban a finn csapat tagjaként is első lett.

Élete legfájóbb vereségének nevezte az antwerpeni második helyet, az egyetlen alkalmat, amikor külföldi futó megelőzte őt egy olimpiai döntőben.

 

Az olimpiát követően sokkal nagyobb hangsúlyt fektetett a gyorsasági edzésekre, aminek hamarosan meg is lett az eredménye. Első világcsúcsát 1921. június 22-én Stockholmban 10 000 m-en futotta (30:40,2), ezután 1500 és 10 000 méter között szinte minden számban sikerült rekordot döntenie. 1923-ban a három talán legtekintélyesebb futószámban, 1 mérföldön, 5000 és 10 000 m-en is egyidejűleg volt csúcstartó, ez sem előtte, sem azóta nem sikerült másnak.

 

A párizsi olimpia időrendjét Nurmi számára nagyon kedvezőtlenül állították össze, az 1500 és az 5000 m-es síkfutás döntője között mindössze 55 perc volt. A finn nem esett kétségbe, egész évben a duplázásra készült. Júniusban egy versenyen szimulálták az olimpiai döntőket, először 1500-on futott világcsúcsot, majd 55 perccel később 5000-en is. Végül egy kicsit változott a program, a két döntő közé még bekerültek a 400-as előfutamok, de így is kevesebb mint 2 óra volt a két futás között. Nurmi természetesen mindkettőt megnyerte, sőt 6 nap alatt összesen 5 aranyat gyűjtött, hármat egyéniben (1500, m 5000 m, mezei futás - 10 650m), kettőt a finn csapat tagjaként (3000m és mezei futás). A legendás duplázás megismétlésére 80 évet kellett várni, Hicham El Guerrouj a 2004-es athéni olimpián hajtotta végre ezt a bravúrt, ott persze napok teltek el a két döntő között. A mezei futás döntőjének idején Párizsban 45 Celsius fokot mértek napsütésben, az útvonalon pedig nem volt árnyék. A 38 indulóból 15-en értek célba, közülük 8 sportolót hordágyon vittek el. A finn sportvezetés úgy döntött, hogy a Nurmi egészségének védelme érdekében nem indulhat el 10 000 m-en, így nem tudta megvédeni címét. A Repülő Finn hazatérve csattanós választ adott, 13 évig fennálló világcsúcsot futott 10 km-en.

 

1924 decemberétől 5 hónapon keresztül az USA-ban edzett és versenyzett, 55 alkalommal állt rajthoz, egyszer feladta a versenyt, egyszer kikapott, de 53 alkalommal nem talált legyőzőre. 29 nem hivatalos világcsúcsot futott (akkoriban a fedettpályás rekordokat nem hitelesítették).

 

A 31 éves Nurmi ekkor már túl volt pályája csúcsán, egyre csökkent az előnye a riválisaival szemben, Achilles sérüléssel is bajlódott. Ennek ellenére 10 000 m-en újra győzött, 2 méterrel honfitársa Ville Ritola és 45(!) másodperccel a harmadik helyezett svéd Edvin Wide előtt. 3 és 5 000 méteren azonban már „csak” ezüstre futotta, mindkét alkalommal finn futó előzte meg. 5 000 méteren 9 másodperccel kapott ki, de még ő is a régi világcsúcson belül futott. Pályafutására a koronát a 1932-ben a maratoni táv olimpiai aranyérmével szerette volna feltenni, azonban egy német versenyen elfogadott útiköltség térítés miatt a NOB két befolyásos tagja elérte, hogy profivá nyilvánítsák. Az utolsó pillanatig remélte, hogy megváltoztatják a döntést, beköltözött az olimpiai faluba is, de végül mégsem állhatott rajthoz. Később azt nyilatkozta, hogy 5 perccel nyerte volna a maratont.

 

Néhány évig még indult hazai amatőr versenyeken, 1934-ben aztán befejezte karrierjét. Építőipari vállalkozást alapított, mely 40 épületet emelt Helsinkiben. A sport utáni életében kerülte a nyilvánosságot, teljes visszavonultságban élt. 1952-ben a helsinki olimpiai játékok megnyitóján 70 000 ember bíztatása közepette futott be a stadionba és gyújtotta meg a lángot. 70 éves korában sikerült rábírni egy interjúra, de azt is csak azért vállalta, mert az akkori finn miniszterelnök, Urho Kekkonen kérdezte.Élete utolsó éveit súlyos betegen élte le, 1973. október 2-án halt meg Helsinkiben. Állami temetést kapott, a fővárosban ravatalozták fel, majd szülővárosában, Turkuban helyezték örök nyugalomra.

 

Még életében – az 1924-es sikerei után – szobrot állítottak neki hazájában. 1952-ben ebből két másolat készült, az egyik a helsinki olimpiai stadion előtt áll, a másik Turkuban. Az eredeti a jyväskylä-i egyetem testnevelési tanszéke előtt található. 1994-ben egy újabb másolat készült a NOB lausanne-i Olimpiai Múzeuma számára. A finn nemzeti bank 1987-ben kibocsátott 10 márkás bankjegyének egyik oldalán a Helsinki Olimpiai Stadion, a másikon Paavo Nurmi portréja látható.