2011年年仅9岁的牛冠凯以第二名的成绩进入
河南省乒乓球队。2016亚洲青少年乒乓球锦标赛少年组（U15）决赛中他战胜日本选手张本智和，获得男子单打冠军。2017年入选国乒二队，之后仅用两个月的时间就进入国乒一队，刷新了之前马龙保持的4个月由国乒二队进阶国乒一队的记录。
牛冠凯于2017年全国青少年锦标赛U15年龄段冠军、2019年获得国际乒联-亚洲乒联亚洲锦标赛U18男单冠军、2023年7月17日，在乒超联赛中国乒小将牛冠凯3-1击败世界冠军王楚钦。
牛冠凯出生于济源，5岁半开始练球。2011年11月，
河南省省乒乓球队面向全省挑选运动员，在两轮的大循环比赛中牛冠凯不畏强手，最终以总成绩第二的名次，顺利入选河南省男子乒乓球队，时年9岁。2012年，牛冠凯进入河南省一队。2014年，牛冠凯被授予国家一级运动员证书。2015年8月，他和队友
于何一、曾强、刘东一起，在
全国乒乓球锦标赛U15组的比赛中夺得男团冠军，创下河南乒乓球在少年比赛中该项目的历史最佳战绩。
2016年9月，牛冠凯代表中国出战2016
亚洲青少年
世界乒乓球锦标赛，在男子单打决赛中以4∶1战胜
日本未来之星张本智和，获得冠军。次年8月，年仅15岁的牛冠凯一举拿下全国青少年锦标赛U15年龄段冠军，入选国乒二队。随后仅用2个月时间牛冠凯就从国家二队进阶至国家一队，刷新了马龙4个月、张继科8个月的新纪录，创造国乒男队最快晋升记录。
2018年5月国际乒联
香港特别行政区公开赛，U21男单首轮牛冠凯对战日本选手金光宏畅，以3比1胜出，为国乒拔得此次赛事的头筹。同年8月亚洲青少年乒乓球锦标赛U18组男团决赛，由于何一、
徐瑛彬、牛冠凯、
向鹏组成的中国队3-0击败印度队夺冠。U18组男单决赛3-4惜败向鹏，获得亚军。次年9月，获得2019
克罗地亚青少年公开赛U18男单冠军。
2021年
中华人民共和国全国运动会乒乓球男单1/16决赛中，面对奥运冠军
樊振东在0-3落后的情况下，牛冠凯在24分钟内以11-3、11-5、11-7连扳3局，虽然最后樊振东还是凭借老道的经验赢下了比赛，但樊振东在比赛结束后的总结中说道：“这场球能赢下来也比较侥幸”。
2022年9月世界乒乓球职业大联盟WTT常规挑战赛马斯喀特站，中国组合牛冠凯/
赛林威以3比0战胜
韩国组合
安宰贤/李尚洙，夺得冠军。同年11月全国乒乓球锦标赛，牛冠凯虽然在男单
半决赛中不敌男单世界排名第一的樊振东无缘决赛，但与山东队选手
刘丁硕并列获得的本次乒乓球全锦赛男单铜牌，这也是牛冠凯首次打进乒乓球全锦赛男单四强。后与
海南省乒乓球队小将
林诗栋一同入选新一届国家青年乒乓球队，备战2022年
突尼斯世界青年锦标赛。
2023赛季中国乒乓球俱乐部超级联赛男团山东魏桥对阵
宝安区明金海的比赛中，
王楚钦连续失误，牛冠凯全面领跑，以11-8先拔头筹，最终牛冠凯以3-1击败王楚钦。同年，在德国
杜塞尔多夫举行了2023年世界乒乓球职业大联盟比赛中，
梁国栋和牛冠凯以3比2战胜队友
曹巍和赛林威，赢得男子双打冠军。