Sa première apparition internationale date des Jeux d'Asie de l'Ouest en 1997 à Téhéran où il remporte la médaille de bronze.
En 1998, il ne termine que 15e des Championnats du monde juniors à Annecy, puis 7e des Jeux asiatiques à Bangkok, avant de remporter en 1999, les Championnats d'Asie juniors à Singapour.
Avec 75,83 m, il se qualifie pour la finale des Championnats du monde à Berlin. Il remporte la médaille d'or lors des 18es Championnats asiatiques à Canton en 76,92 m (10 novembre 2009).
Encore qualifié pour la finale à Daegu 2011, il termine 10e en 76,58 m le 29 août. Puis à Zagreb, le 13 septembre 2011, il bat son record personnel en 80,30 m, dans le cadre du trophée IAAF du lancer de marteau, également record national qu'il avait déjà porté à 80,11 m à Douchanbé, sa capitale et ville natale, le 18 juin 2010.
Le 25 mai 2013 à Halle, Dilshod Nazarov améliore son record personnel avec un lancer à 80,71 m[1].
Le 25 mai 2015 à Ostrava, il lance le marteau à 79,36 m, terminant derrière le Polonais Pawel Fajdek, leader mondial. Il devient vice-champion du monde en août 2015 à Pékin avec un lancer à 78,55 m, toujours devancé par Paweł Fajdek[2].
Le 5 août 2016, il est le porte-drapeau du Tadjikistan lors de la cérémonie d'ouverture des Jeux olympiques de 2016 à Rio. Le 19 août, il devient le premier champion olympique du Tadjikistan en remportant la médaille d'or avec un jet à 78,68 m[3].
Le 24 septembre 2019, quelques jours avant les championnats du monde 2019, il est suspendu pour dopage à la suite d'un test positif lors des championnats du monde 2011[5]. L'unité d'intégrité de l'athlétisme annonce le 18 mars 2021 sa suspension pour deux ans, soit jusqu'au 24 septembre 2021, ce qui empêche sa participation aux Jeux olympiques de Tokyo[6].
