Родилась 25 ноября 1925 г. в с. Константиновка (Артемовский округ Украинской ССР). Ее отец был военным, мать работала председателем колхоза. Нонна была старшей из шести детей в семье. Детство провела в Краснодарском крае, во время Великой Отечественной войны вместе с семьей находилась на оккупированной немцами территории.
Имя при рождении - Ноябрина.
В 1945 г. поступила в Москве во Всесоюзный государственный институт кинематографии (ныне Всероссийский государственный институт кинематографии им. С. А. Герасимова). Окончила вуз в 1950 г., выпускница мастерской педагогов Бориса Бибикова и Ольги Пыжовой.
В 1950-1991 гг. являлась актрисой Театра-студии киноактера (ныне Центр театра и кино под руководством Никиты Михалкова).
Будучи студенткой, дебютировала в кино, исполнила роль Ульяны Громовой в фильме "Молодая гвардия" по роману Александра Фадеева (1948, режиссер Сергей Герасимов). После этого актриса в течение четырех лет не получала новых ролей и вернулась на киноэкраны только в 1952 г., сыграв в картине Всеволода Пудовкина "Возвращение Василия Бортникова", снятой по произведению Галины Николаевой "Жатва".
Большой успех Нонне Мордюковой принесла роль жены брата руководителя колхоза в драме "Председатель" (1964, Алексей Салтыков). В 1964 г. она также сыграла роль купчихи Домны Евстигнеевны Белотеловой в комедии Константина Воинова "Женитьба Бальзаминова" по мотивам пьес Александра Островского. В 1967 г. исполнила главную роль в фильме Александра Аскольдова "Комиссар", снятом по мотивам рассказа Василия Гроссмана "В городе Бердичеве" (вышел на экраны только в 1987 г.).
Широкую известность получил образ управдома Варвары Сергеевны Плющ, воплощенный актрисой в комедии "Бриллиантовая рука" (1968, Леонид Гайдай). Крылатыми стали ее фразы "Наши люди в булочную на такси не ездят!", "Я считаю, что человеку нужно верить только в самом крайнем случае!", "Если не будут брать, отключим газ" и др.
Нонна Мордюкова также снималась в фильмах: "Русское поле" (1971, Николай Москаленко), "Возврата нет" по повести Анатолия Калинина (1973, Алексей Салтыков), "Они сражались за Родину" по роману Михаила Шолохова (1975, Сергей Бондарчук), "Родня" (1981, Никита Михалков), "Вокзал для двоих" (1982, Эльдар Рязанов). Последним фильмом с участием Нонны Мордюковой стала драма Дениса Евстигнеева "Мама" (1999), в которой она исполнила главную роль. В 1995-1996 гг. снялась в социальных рекламных роликах из серии "Русский проект".
Нонна Мордюкова скончалась в Москве 6 июля 2008 г. на 83-м году жизни. Похоронена на Кунцевском кладбище.
Народная артистка СССР (1974).
Была награждена орденами "Знак Почета" (1975), Дружбы народов (1985), "За заслуги перед Отечеством" II, III и IV степеней (2005, 2000, 1995). Отмечена Почетной грамотой правительства РФ (2005).
Лауреат Сталинской премии I степени (1949), Государственной премии РСФСР им. братьев Васильевых (1973), премии президента РФ в области литературы и искусства 2001 г.
Дважды признавалась лучшей актрисой года по результатам опроса журнала "Советский экран" (1972, 1974). Лауреат приза президента РФ "За вклад в российское кино" фестиваля "Кинотавр" (1996), премии "Ника" в почетной номинации "Честь и достоинство" (2005).
В 1997 г. вышла книга воспоминаний Нонны Мордюковой "Не плачь, казачка!".
Была дважды замужем. Первый супруг - народный артист СССР Вячеслав Тихонов (1928-2009). Сын - заслуженный артист РСФСР Владимир Тихонов (1950-1990). Вторым мужем был народный артист РСФСР Владимир Сошальский (1929-2007).