néven látta meg a napvilágot 1967. június 20-án Honoluluban, Hawaii szigetén. Mikor Nicole megszületett, édesapja a Hawai‘i at Manoa Egyetem végzős diákja volt. Néhány év múlva a család visszaköltözött Ausztráliába. A színésznő Sydney-ben nőtt fel, és a Cove Public School, valamint a North Sydney Girls Középiskola tanulója volt. Már három éves korában érdeklődött a balett iránt, valamint már az általános iskolában megmutatkozott színészi tehetsége.
1983-tól kezdte meg színészi karrierjét sorozatokba, majd kisebb filmes szerepekben. Az áttörést számára a Vietnam című minisorozat hozta meg, amelyben egy esetlen, 60-as évekbeli diáklányból a 70-es évek szabadgondolkodó aktivistájává lesz. 1988-ban a Halálos nyugalom-ban alakította Sam Neill feleségét. A thriller világszerte nagy sikereknek örvendett, és meghozta Nicole számára is a nemzetközi hírnevet. Valódi sztárrá az 1990-es Mint a villám című film tette őt, melyben Tom Cruise oldalán játszhatott, s a film forgatásán közel is kerültek egymáshoz. 1992-ben ismét Tom Cruise oldalán játszott, ezúttal a Túl az Óperencián című filmben.
1995-ben megkapta Dr. Chase Meridan szerepét a Batman című szuperhősös filmben. Ebben az évben a Majd' megdöglik érte című fekete komédiában is láthattuk, mint a gyilkos hajlamú Suzanne Stone. A színésznőt ezért az alakításáért Golden Globe-díjjal jutalmazták. Szakmai szempontból a legsikeresebb éve 2001 volt, amikor a Moulin Rouge-ban nyújtott alakításáért Oscar-díjra jelölték, és a Más világ-beli szerepléséért is remek kritikát kapott.
A következő évben az Órák-ban Virginia Woolf megformálása meghozta számára az Oscar-díjat is a legjobb női főszereplő kategóriában. Ő volt az első ausztrál színésznő, aki Oscart kapott. Egyre növekvő sikereinek köszönhetően a Chanel divatmárka No. 5 illatának arca lett 2004-ben, 2005-ben, 2006-ban és 2008-ban is. 2017-ben megkapta Celeste Wright szerepét a Hatalmas kis hazugságok című HBO minisorozatban. Ezért a szerepéért két Primetime Emmy Díjat nyert. Emellett egy Golden Globe-t, egy Critics Choice Díjat és egy SAG Díjat is kapott.
2021-ben a Nine Perfect Strangers című miniszéria főszerepében látjuk majd. A sorozat a Hatlamas Kis Hazugságok írónőjének 2018-ban megjelent bestseller regénye alapján készül. Nicole mellett Melissa McCarthy és Luke Evans is főszerepben lesz látható.