Родилась 18 апреля 1931 г. в Москве в семье Ивана Семеновича и Евдокии Ильиничны Гуляевых. Ее отец работал агентом по снабжению в Государственном универсальном магазине. Мать вела домашнее хозяйство. Во время Великой Отечественной войны Иван Семенович пропал без вести на фронте, Нина Гуляева вместе с матерью проживала в эвакуации в рабочем поселке Сапожок (Рязанская область).
В 1954 г. окончила Школу-студию им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном академическом театре (МХАТ) СССР им. М. Горького (ныне Школа-студия, институт, им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном театре им. А. П. Чехова). Выпускница курса педагогов Сергея Блинникова и Георгия Герасимова.
В 1954 г. Нина Гуляева стала актрисой МХАТ СССР им. М. Горького. Исполняла роли в постановках: "Кремлевские куранты" по пьесе Николая Погодина, "Зимняя сказка" по произведению Уильяма Шекспира, "Враги" и "Егор Булычов и другие" по пьесам Максима Горького, "Сталевары" по произведению Геннадия Бокарева, "Три сестры" и "Чайка" по пьесам Антона Чехова, "Сладкоголосая птица юности" по произведению Теннесси Уильямса, "Утиная охота" по пьесе Александра Вампилова.
В 1987 г., после разделения труппы театра, осталась в коллективе под руководством народного артиста СССР Олега Ефремова (ныне МХТ им. А. П. Чехова). Была задействована в спектаклях: "Женитьба" по пьесе Николая Гоголя, "Дворянское гнездо" по роману Ивана Тургенева, "Горе от ума" по комедии Александра Грибоедова, "Последняя жертва" по пьесе Александра Островского. В текущем театральном сезоне задействована в постановках "Белые ночи" по произведению Федора Достоевского и "Деревня дураков" по повести Натальи Ключаревой.
Нина Гуляева также сотрудничает с Государственным театром наций. Исполняет на его сцене роль Марины в спектакле "Дядя Ваня" по пьесе Антона Чехова.
Снималась в фильмах "В степной тиши" (1959, режиссер Сергей Казаков), "Твой современник" (1967, Юлий Райзман), "Только три ночи" (1969, Гавриил Егиазаров).
Нина Гуляева принимала участие в озвучивании ряда мультипликационных фильмов. В их числе: "Краса ненаглядная" (1958, Владимир Дегтярев), "Первая скрипка" (1958, Дмитрий Бабиченко), "Чиполлино" (1961, Борис Дежкин), "Русалочка" (1968, Иван Аксенчук). Также она озвучила роли актрисы Анастасии Вертинской в фильмах "Алые паруса" (1961, Александр Птушко; Ассоль) и "Человек-амфибия" (1961, Владимир Чеботарев и Геннадий Казанский; Гуттиэре).
Народная артистка РСФСР (1969).
Награждена орденами Почета (1998), "За заслуги перед Отечеством" III и IV степеней (2021, 2006). Отмечена благодарностью президента РФ (2011).
Удостоена Государственной премии РСФСР им. К. С. Станиславского (1978).
Лауреат премии "Золотая маска" в почетной номинации "За выдающийся вклад в развитие театрального искусства" (2020).
Была дважды замужем. Первый супруг - актер Михаил Горюнов (1932-1994). Вторым мужем был народный артист СССР Вячеслав Невинный (1934-2009). Сын - заслуженный артист РФ Вячеслав Невинный (род. 1965).