Nicole es hija de Anthony, un psicólogo y bioquímico y amante del piano, y de Janelle, una enfermera. Tiene una hermana 3 años menor que se llama Antonia y es reportera de televisión. Nació en Honolulu, Hawaii, porque en ese momento su padre desarrollaba un proyecto de investigación en esa localidad, pero muy pronto, también por motivos de la profesión del padre se trasladaron a vivir a Washington D.C., donde residieron durante 3 años. Después de este periodo volvieron a Australia y se instalaron en Longueville, un barrio para clases acomodadas de Sydney, donde Nicole creció y se educó, rodeada de actividades artísticas, especialmente la danza y el teatro.

A los 4 años Nicole ingresó en una escuela de ballet, a los 8 años daba clases de mímica y a los 10 de arte dramático. Ya más mayor continuaría su preparación artística en el Australian Theatre for Young People y en el "St. Martin`s Youth Theatre" de Melbourne. También estudió historia de la interpretación en el "Philip Street Theater" de Australia. Se pasaba todos los fines de semana en el teatro de la calle Phillip, fascinada por su ambiente. Recuerda que: apenas me movía de allí. Pensé que era fantástico, a pesar de las bromas que tenía que soportar, por preferirlo a ir a la playa con los demás chicos y chicas de mi edad.

Debutó como en televisión en el canal de televisión Disney. Su primer papel profesional lo realizó a los 14 años en "Bush Christmas", una película infantil para la televisión. Pronto seguirían otros trabajos en "BMX Bandits", y en la serie de televisión "Winners".

Su participación en la miniserie "Vietnam" (1987), dirigida por John Duigan, le trajo el nombramiento por parte del público australiano como la mejor actriz del año, y gracias a ello consiguió el papel protagonista en "Calma Total" en 1989, junto a Sam Neill y Billy Zane, que fue lo que realmente le abrió las puertas del mercado internacional, pues el éxito del film hizo que los productores de Hollywood centraran su atención en ella, iniciándose así su etapa americana.

En 1990 comparte protagonismo con Tom Cruise en "Días de Trueno". Allí fue donde le conoció y ese mismo año se casaron. El propio Tom Cruise escogió personalmente a Nicole tras verla en el casting y tener una primera impresión que ha pasado a la posteridad: "Mi primera reacción al conocer a Nicole fue de puro deseo sexual" (palabras de Tom), y eso que al conocerse ambos, Nicole, que mide 1'80, observó que era notablemente más alta que él, y dio por descontado que esto sería un problema insalvable. Bueno, al menos conoceré Los Angeles, pensó. Al día siguiente el productor la llamó para comunicarle que el papel era suyo. ¿Y el problema de la altura?, preguntó. A Tom no le importa contestaron, y a nosotros tampoco.

El matrimonio duró 10 años, hasta que en el 2001 se divorciaron. Adoptaron 2 hijos durante ese periodo, Isabella, en 1993 y Connor, en 1995, y se les otorgó el "titulo" de matrimonio más sexy y estable de Hollywood.

Hay quien dice que su rotura con Cruise se debe a discrepancias religiosas, ya que él pertenece a la Iglesia de la Cienciología y ella es Católica.

Tras la ruptura con Cruise se le relacionó sentimentalmente con el productor italiano Fabrizio Lombardo.

Su trabajo en "Calma Total" también llamó la atención de Robert Benton (Kramer contra Kramer) quien pensó que sería perfecta para su próxima película: "Billy Bathgate", que iba a rodar con Dustin Hoffman, y la llamó por teléfono cuando ella estaba terminando "Días de trueno". Al poco de finalizado éste, Nicole fue a Nueva York y pronto empezó la filmación.

Después de esta viene otra película con Tom: "Un horizonte muy lejano", el thriller "Malice" con Alec Baldwin y Bill Pullman y "Mi Vida", con Michael Keaton.

En 1995 interpreta a la Dra. Chase Meridian, que debía haber interpretado René Russo, en "Batman Forever". En 1996 rueda junto a John Malkovich una de las películas más importantes de su carrera, "Retratos de una Dama", de Jane Campion, por la que obtuvo una nominación al Oscar.

Después de esto vienen dos películas de escasa repercusión: "El Pacificador" en 1997, y "Practicamente Magia", con Sandra Bullock en 1998.

En 1999 vuelve a compartir protagonismo con su marido en "Eyes Wide Shut", la controvertida obra póstuma de Stanley Kubrick, que resultó ser un auténtico bombazo comercial.

A partir del año 2000 se ha mantenido muy ocupada con un amplio número de proyectos. En el año 2000 rodó "Oscura Seducción", y al año siguiente "Moulin Rouge", por la que fue ganadora del Globo de Oro y obtuvo una nominación al Oscar y "Los Otros", como protagonista absoluta de la película del director español Alejandro Amenábar, que le trajo una nueva nominación al Globo de Oro.

En el 2002 la pudimos ver en "Las Horas", de Stephen Daldry, encarnando a la escritora Virginia Woolf y que le ha servido para ganar un nuevo Globo de Oro y por fin, ganar también el merecido Oscar a la Mejor actriz.

En el 2003 interviene en tres películas: "Dogville" dirigida por Lars von Trier; "La Mancha Humana", con Anthony Hopkins, Ed Harris y Wentworth Miller; y el drama bélico dirigido por Anthony Minghella "Cold Mountain", donde trabaja junto a Jude Law y Renée Zellweger.

En el 2004 protagoniza "Las Mujeres Perfectas", dirigida por Frank Oz y donde coincide con Matthew Broderick, Glenn Close y Christopher Walken. También en el 2004 la pudimos ver en la polémica cinta del inglés Jonathan Glazer "Reencarnación (Birth)".

En el 2005 sería Silvia Broome en "La Intérprete" de Sydney Pollack e Isabel Bigelow en "Embrujada".

Entre sus últimas películas destacan "Invasión" (2007), donde trabaja junto a Daniel Craig y Jeremy Northam; "Margot at the Wedding" (2007); y "La Brújula Dorada" (2007), dirigida por Chris Weitz y protagonizada por actores como Daniel Craig, Dakota Blue Richards, Ian McKellen, Eva Green y Sam Elliott. Ésta última fue un fracaso comercial, que hizo desaparecer a la mítica New Line Cinema, aunque no del todo. New Line sigue produciendo y distribuyendo películas, pero lo como parte de Warner Bros. La producción de la película costó 180 millones de dólares, que unidos a unos 70 millones de promoción suman 250, pero el filme recaudó tan solo 350 millones en todo el mundo, y para que una película reporte beneficios debería recaudar al menos el doble de lo que costó.

En octubre de 2012, Kidman compartió cartel con Matthew McConaughey, Zac Efron y John Cusack en El chico del periódico (The Paperboy). El trabajo de la actriz en esta película de Lee Daniel le reportó nominaciones al Globo de Oro, al premio AACTA del Instituto de Cine Australiano y al SAG. Ese mismo año, actuó con Clive Owen en Hemingway and Gellhorn. Por su papel de Martha Gellhorn en este el telefilme de la HBO, la actriz optó al Globo de Oro, al Emmy y al SAG.