Nicolae a commencé sa carrière sportive en saut en longueur et en triple saut, mais il s'est finalement concentré sur les épreuves combinées après avoir obtenu des résultats mitigés dans ces deux épreuves.
En 2003, Nicolae a remporté le titre national roumain en triple saut avec un bond à 16,80 mètres. L'année suivante, il a participé à ses premiers championnats d'Europe espoirs, où il a terminé 14e du décathlon avec 7 235 points.
En 2005, Nicolae s'est concentré exclusivement sur le décathlon et a réalisé son premier record personnel en battant le record national roumain avec 8 146 points à Athènes. Il a également terminé deuxième du meeting de L'Hospitalet avec 7 959 points, ce qui lui a valu sa première sélection pour les Jeux mondiaux militaires à Haïfa. Nicolae a remporté la médaille d'argent du décathlon avec 8 046 points.
En 2006, Nicolae a participé aux championnats d'Europe en salle de Birmingham, où il a terminé 13e du pentathlon avec 4 497 points. Il a ensuite concédé une année sabbatique avant de revenir en compétition en 2008.
En 2008, Nicolae a participé à ses premiers Jeux olympiques d'été à Pékin, où il a terminé 14e du décathlon avec un score total de 8 106 points. L'année suivante, il a remporté la médaille d'or aux Championnats des Balkans en battant le record des championnats avec 8 273 points.
En 2010, Nicolae a participé à ses premiers championnats du monde en salle de Barcellone, où il a terminé 9e du décathlon avec un score total de 8 070 points. Il a ensuite concédé une année sabbatique avant de revenir en compétition en 2012.
En 2012, Nicolae a participé à ses seconds Jeux olympiques d'été à Londres, où il a terminé 8e du décathlon avec un score total de 8 354 points. L'année suivante, il a remporté la médaille d'argent aux Championnats d'Europe en salle de Göteborg avec un score total de 6 270 points dans l'heptathlon.
En 2014, Nicolae a participé à ses premiers championnats du monde à Sopot, où il a terminé 5e du décathlon avec un score total de 8 496 points. L'année suivante, il a remporté la médaille d'or aux Championnats des Balkans en battant le record national roumain avec 8 710 points.
En 2016, Nicolae a participé à ses troisièmes Jeux olympiques d'été à Rio de Janeiro, où il a terminé 9e du décathlon avec un score total de 8 423 points. L'année suivante, il a remporté la médaille d'or aux Championnats d'Europe en salle de Belgrade avec un score total de 6 515 points dans l'heptathlon.
En 2018, Nicolae a participé à ses quatrièmes Jeux olympiques d'été à Tokyo, où il a terminé 13e du décathlon avec un score total de 8 247 points. L'année suivante, il a remporté la médaille d'or aux Championnats des Balkans en battant le record national roumain avec 8 769 points.
En 2021, Nicolae a participé à ses cinquièmes Jeux olympiques d'été à Tokyo, où il a terminé 15e du décathlon avec un score total de 8 042 points.