Obtuvo un gran reconocimiento por su trabajo en el aclamado filme Nomadland, por el cual recibió el premio a la mejor película y mejor dirección en la 93.ª entrega de los Premios Óscar, convirtiéndose en la segunda mujer en ganar dicho galardón tras la estadounidense Kathryn Bigelow. Adicionalmente ha ganado, entre otros, dos Premios BAFTA, dos Globos de Oro, un Premio del Sindicato de Directores y tres Premios de la Crítica Cinematográfica.

Hizo su película debut con Songs My Brothers Taught Me. La película se estrenó en el Festival de Cine de Sundance de 2015 como parte de la competición oficial de Estados Unidos.2​ Más tarde se reprodujo en el Festival Internacional de Cine de de Cannes como parte de la selección del Director. Fortissimo Films adquirió la película como su agente de ventas internacionales. La película fue estrenada en cines de Francia por Diaphana Distribution.

En 2017, fue premiada en el Festival Internacional de Cine de Cannes por su película The Rider. En 2020, Zhao ganó el León de Oro en el Festival Internacional de Cine de Venecia y el Premio del Público en el Festival Internacional de Cine de Toronto por su película Nomadland.