Huy Hoàng tham dự SEA Games 29 (2017) trên đất Malaysia khi mới 17 tuổi. Ngay lần đầu tiên thi đấu tại Đại hội thể thao Đông Nam Á, kình ngư quê Quảng Bình đã tạo “địa chấn” khi giành HCV và phá vỡ kỷ lục ở nội dung 1500m bơi tự do nam. Với thành tích 15’20”10, Huy Hoàng đã phá sâu kỷ lục SEA Games 15’31”03 do chính đàn anh Lâm Quang Nhật thiết lập tại SEA Games 15. 

Tại SEA Games 30 (2019) được tổ chức ở Philippines, Nguyễn Huy Hoàng giành HCV 1500m tự do với thời gian là 14’58”14. Anh đã phá kỷ lục SEA Games của chính mình. Thành tích trên cũng đạt chuẩn A Olympic Tokyo (15’00” 99). 

Với việc Nguyễn Thị Ánh Viên giải nghệ, Huy Hoàng chính là niềm hy vọng “vàng” của bơi lội Việt Nam tại SEA Games 31. Anh đặt mục tiêu giành 3 tấm HCV ở các nội dung: 400m, 800m và 1500m tự do nam. 

Chiều 14/5 tại Cung thể thao dưới nước Mỹ Đình đã diễn ra phần thi chung kết nội dung 1500m bơi tự do nam. Ngoài Nguyễn Huy Hoàng, ở nội dung này còn có sự góp mặt của Nguyễn Hữu Kim Sơn.

Sau 400m đầu tiên, Nguyễn Huy Hoàng và Nguyễn Hữu Kim Sơn dẫn dẫn đầu. Kết thúc nửa chặng, cả hai vận động viên của Việt Nam tiếp tục duy trì vị trí thứ nhất, thứ hai và bỏ xa các đối thủ còn lại.

Về đích với thành tích 15’00”75, Huy Hoàng đem về tấm HCV đầu tiên cho bơi lội Việt Nam tại SEA Games 31, tuy nhiên anh không thể phá vỡ kỷ lục của chính mình. Đại diện còn lại của bơi lội Việt Nam Nguyễn Hữu Kim Sơn giành HCB với thành tích 15’27”31. HCĐ thuộc về vận động viên đến từ Thái Lan Kanteemool Tonam.