Начал заниматься дзюдо в семь лет в клубе бойскаутов Мацуми. После окончания Оно начальной школы, семья переехала в Токио, где он продолжил занятия.
В 2010 году победил на международном турнире в Лионе среди участников не старше 20 лет (U20), а на этапе розыгрыша Большого Шлема в Токио был пятым.
В 2011 году завоевал звание чемпиона мира (U20), и в 19 лет завоевал Кубок мира среди взрослых. В 2012 году завоевал серебряные медали чемпионата Азии и чемпионата Японии, победил на турнире Большого Шлема в Токио и завоевал Кубок Кодокана.
В 2013 году был третьим на турнире Большого Шлема в Париже и на чемпионате Японии, а затем завоевал звание чемпиона мира в личном зачёте и «бронзу» в команде.
В 2014 году стал чемпионом Японии, и, оставшись за чертой призёров в личном первенстве, стал чемпионом мира в команде в Челябинске; также занял второе место на турнире Большого Шлема в Токио.
В 2015 году победил на Гран-при Дюссельдорф, был третьим на национальном чемпионате, и во второй раз завоевал звание чемпиона мира в личном первенстве и во второй же в команде.
В 2016 году снова выиграл Гран-при Дюссельдорф и стал двукратным чемпионом Японии. На Олимпийские игры ехал в звании абсолютного фаворита.
Выступал на Олимпийских играх 2016 года, в категории до 73 килограммов. Спортсмены были разделены на 4 группы, из которых четыре дзюдоиста по результатам четвертьфиналов выходили в полуфиналы. Проигравшие в четвертьфинале встречались в «утешительных» схватках и затем с потерпевшими поражение в полуфиналах, и по этим результатам определялись бронзовые призёры. Сёхэй Оно победил во всех схватках и завоевал золотую медаль Олимпийских игр.
Сёхэй Оно отменно выполняет о сото гари (отхват) и ути мата (подхват), повторяя их до 1000 раз в день и обладает удивительными техническими и физическими кондициями: в тренировочном лагере при своём весе в 73 килограмма он сумел бросить подхватом под одну ногу 140-килограммового Тедди Ринера. Окончил Университет Тэнри (2014).
