We wrześniu 2006 roku spotkała się z muzykami Nightwish, aby wspólnie zaśpiewać z nimi kilka starych utworów zespołu, a następnego dnia w studiu gitarzysty Nightwish Erno „Emppu” Vuorinena nagrała z zespołem kilka nowych piosenek. 24 maja 2007 roku Anette Olzon została oficjalnie ogłoszona nową wokalistką Nightwish na stronie internetowej zespołu (odeszła przy tym z grupy Alyson Avenue). Pierwszy koncert Nightwish z Olzon jako wokalistką odbył się 6 października 2007 roku w Tel Awiwie. Anette Olzon z Nightwish nagrała dwa uznane albumy: Dark Passion Play (2007) i Imaginaerum (2011). thumb|Anette Olzon podczas koncertu Nightwish w Nantes 18 kwietnia 2012 roku 1 października 2012 roku na stronie internetowej Nightwish ukazało się oświadczenie o zakończeniu przez zespół współpracy z Anette Olzon „we wzajemnym zrozumieniu, dla dobra wszystkich zaangażowanych stron”. Jej ostatni występ z Nightwish miał miejsce 29 września 2012 roku, podczas stanowiącego część trasy koncertu w The Complex w Salt Lake City, a następczynią Olzon została Holenderka Floor Jansen. Niedługo później Anette Olzon w wywiadzie udzielonym magazynowi „Me Naiset” powiedziała, że została zwolniona z zespołu wkrótce po tym, jak ujawniła, że jest w ciąży z trzecim dzieckiem i trafiła do szpitala z powodu problemów z żołądkiem podczas trasy Imaginaerum World Tour.