Нонна Мордюкова родилась 25 ноября 1925 года в Донецкой области. После окончания ВГИКа в 1950 году стала актрисой Театра-студии киноактера.

Дебют Мордюковой в кино состоялся еще во время ее учебы - в 1947 году ее в числе прочих молодых актеров отобрал на главные роли режиссер Сергей Герасимов, который собирался экранизировать «Молодую гвардию» (1948). Мордюковой досталась роль Ульяны Громовой.

Успех пришел к актрисе с выходом в 1955 году на экраны страны фильма Михаила Швейцера «Чужая родня», в котором она исполнила роль Стеши. Последующие киноработы выдвинули Нонну Мордюкову в число лучших актрис советского кинематографа.

Актриса создала запоминающиеся образы в таких фильмах, как «Простая история», «Журавушка», «Комиссар», «Русское поле», «Бриллиантовая рука», "Родня», «Трясина», «Мама». Всего на ее счету более 60 фильмов.

Мордюкова - лауреат Государственной премии СССР (1949, за роль Ульяны Громовой в фильме «Молодая гвардия», лауреат Государственной премии РСФСР имени Братьев Васильевых (1973, за роли в фильмах «Журавушка», «Председатель» и др.), народная артистка СССР, награждена орденом «За заслуги перед Отечеством» III степени.

Редакционным советом британской энциклопедии «Who is who» Нонна Мордюкова включена в десятку выдающихся актрис XX века.

В марте 2008 года актрису на «скорой» доставили в Центральную клиническую больницу. По сообщениям некоторых СМИ, актриса была доставлена в психиатрическое отделение с диагнозом деменция (распад психических функций в результате поражения мозга) с психическим расстройством. За последние годы актриса уже неоднократно попадала в больницу.