На
Олимпийских играх 1948 года
в
Санкт-Морице
, стал олимпийским чемпионом в эстафетной гонке и выиграл серебряную медаль в гонке на 18 км. В эстафете бежал первый этап и закончил его уверенным лидером выигрывая у идущих вторыми
финнов
почти 2 минуты, на последующих этапах партнёры Эстенссона по команде ещё больше укрепили преимущество, уверенно завоевав золотую медаль. В гонке на 18 км 32 секунды проиграл победителю, своего партнёу по команде
Мартину Лундстрёму
, и почти 2 минуты выиграл у ставшего третьим, другого своего соотечественника
Гуннара Эрикссона
. В гонке на 50 км участия не принимал.
Нильс Эстенссон погиб 24 июля 1949 года, разбившись на мотоцикле.