Родилась 3 декабря 1934 г. в г. Лосиноостровске Московской области (ныне - Бабушкинский район Москвы). Ее отец работал на Ростокинском меховом комбинате. Незадолго до начала Великой Отечественной войны он вместе с семьей был командирован в Иран для организации закупок мехов для Красной армии. Там Нина Дорошина выучила персидский язык. Семья вернулась в СССР уже после Победы, в 1946 г.
В школьные годы Нина Дорошина посещала театральный кружок. Затем принимала участие в любительских спектаклях Клуба железнодорожников под руководством актрисы Камерного театра Марии Львовской. В 1956 г. окончила в Москве актерский факультет Театрального училища им. Б. В. Щукина (ныне - Театральный институт им. Бориса Щукина при Государственном академическом театре им. Евгения Вахтангова). Выпускница курса педагогов Веры Львовой и Владимира Москвина. После окончания вуза была принята в труппу Театра-студии киноактера (ныне - Государственный театр киноактера).
В 1959 г. по приглашению Олега Ефремова Нина Дорошина поступила в Московский театр "Современник", в котором прослужила почти 60 лет. На сцене театра была задействована в спектаклях: "В поисках радости" и "Вечно живые" по пьесам Виктора Розова, "Пять вечеров" и "С любимыми не расставайтесь" по произведениям Александра Володина, "Пятая колонна" по пьесе Эрнеста Хемингуэя, "На дне" по произведению Максима Горького, "Чайка" по пьесе Антона Чехова, "Двенадцатая ночь" и "Виндзорские насмешницы" по комедиям Уильяма Шекспира, "Крутой маршрут" по произведению Евгении Гинзбург. Одной из своих самых любимых работ актриса называла роль Инны в постановке Галины Волчек "Мурлин Мурло" по пьесе Николая Коляды, где она играла вместе с Еленой Яковлевой, Сергеем Гармашем и др. Спектакль, который шел с 1990 г., выдержал около 330 постановок.
В кино она начала сниматься еще будучи студенткой Театрального училища им. Б. В. Щукина. Дебютировала в роли Нелли Паниной в мелодраме "Первый эшелон" (1955, режиссер Михаил Калатозов). Среди других работ актрисы: Шура в киноводевиле "Безумный день" по пьесе Валентина Катаева "День отдыха" (1956, Андрей Тутышкин), Даша в мелодраме "Первый троллейбус" (1963, Исидор Анненский), обменщица в комедии "По семейным обстоятельствам" по пьесе Валентина Азерникова "Возможны варианты" (1977, Алексей Коренев). Наибольшую известность Нина Дорошина получила после роли Надежды Кузякиной в популярной комедии Владимира Меньшова "Любовь и голуби" по пьесе Владимира Гуркина (1984), где партнерами актрисы были Александр Михайлов, Сергей Юрский, Наталья Тенякова. Ее последняя роль в кино - Екатерина Семеновна в сериале "Гаражи" (2010, Александр Хван). В общей сложности Нина Дорошина снялась в более чем 30 фильмах и фильмах-спектаклях.
С начала 1980-х гг. Нина Дорошина преподавала актерское мастерство в Щукинском училище. Была профессором вуза.
Нина Дорошина скончалась 21 апреля 2018 г. в Москве на 84-м году жизни. Похоронена на столичном Пятницком кладбище.
Являлась членом Союза кинематографистов РФ.
Народная артистка РСФСР (1985).
Была награждена орденами Почета (2006) и Дружбы (2010).
Была дважды замужем. Первый супруг – известный советский актер Олег Даль (1941-1981). Вторым мужем был художник по свету театра "Современник" Владимир Ишков (скончался в 2004 г.).