Faixa-preta da Cicero Costha Internacional, Nathiely Karoline pertence à linhagem de Rickson Gracie via Marcelo Behring, Marco Barbosa e Cicero Costha. Múltipla campeã mundial IBJJF na adulta, conquistou o ouro em edições consecutivas entre 2015 e 2019, competindo nos pesos Medium-Heavy e Heavy. Especialista no jogo de lasso guard.
Em 2018, somou três ouros no Mundial IBJJF (peso Heavy, peso aberto e absoluto) e repetiu a dobradinha peso + absoluto no Mundial No-Gi do mesmo ano. Em 2024, levou a luta ao tatame de submission grappling: foi vice-campeã do ADCC World Championship na divisão acima de 65 kg. Soma 29 títulos de ouro registrados ao longo da carreira.