Родилась 13 мая 1942 г. в г. Электростали Московской области.
Училась в Хореографическом училище Государственного академического Большого театра (с 1961 г. - Московское академическое хореографическое училище, ныне Московская государственная академия хореографии) у Марии Кожуховой и Софии Головкиной. В числе ее одноклассниц была будущая прима-балерина ГАБТ Наталия Бессмертнова.
В 1961 г. Нина Сорокина окончила училище и была принята в балетную труппу Большого театра. Ее наставницей стала известная советская балерина и педагог Марина Семенова.
На сцене ГАБТ Нина Сорокина исполняла главные партии в таких классических и современных балетах, как "Пламя Парижа" Бориса Асафьева (1962), "Золушка" (1963) и "Каменный цветок" (1974) Сергея Прокофьева, "Щелкунчик" Петра Чайковского (1966), "Спартак" Арама Хачатуряна (1971), "Иван Грозный" Сергея Прокофьева (1978), "Гусарская баллада" Тихона Хренникова (1980) и др.
Она была первой исполнительницей партий в постановках Асафа Мессерера, Натальи Касаткиной, Владимира Василёва, Натальи Рыженко, Владимира Васильева, Майи Плисецкой, Генриха Майорова и других балетмейстеров. Среди них "Класс-концерт" на музыку Александра Глазунова, Анатолия Лядова, Антона Рубинштейна, Дмитрия Шостаковича (1963; партия Солистки), "Спящая красавица" Петра Чайковского (1963; Фея Щедрости и Фея Бриллиантов), "Геологи" Николая Каретникова (1964; Девушка), "Икар" Сергея Слонимского (1971; Девушка), "Анна Каренина" Родиона Щедрина (1972; Кити), "Озаренность" Александры Пахмутовой (1973; Любимая), "Чиполлино" Карэна Хачатуряна (1977; Редисочка), "Эти чарующие звуки" на музыку Джузеппе Торелли, Арканджело Корелли, Жан-Филиппа Рамо и Вольфганга Моцарта (1978; классическое па де де на музыку Торелли). В 1965 г. Василев и Касаткина впервые в СССР поставили балет "Весна священная" Игоря Стравинского, примой и исполнительницей главной женской партии в котором стала Нина Сорокина.
Сценическим партнером балерины был ее супруг - солист ГАБТ, народный артист РФ Юрий Владимиров (род. 1942). В 1966 г. пара завоевала первую премию на Международном конкурсе артистов балета в Варне (Болгария), в 1969 г. - на Всесоюзном конкурсе новых хореографических номеров и Международном конкурсе артистов балета в Москве. В 1969 г. на Международном фестивале танца в Париже (Франция) Владимиров и Сорокина были признаны лучшей балетной парой за исполнение па де де Дианы и Актеона из балета "Эсмеральда".
Нина Сорокина снималась в фильмах, посвященных балету: "Секрет успеха" (1965; режиссеры Леонид Лавровский, Александр Шеленков), "Сочинение танцев" (1967; Юрий Альдохин), "Молодой балет мира" (1970; Аркадий Цинеман), а также в телевизионных балетных постановках "Озорные частушки" на музыку Родиона Щедрина и "Весна священная" Игоря Стравинского.
Критики и зрители отмечали легкость, виртуозность, точность рисунка и безупречную технику балерины. Ее имя в 1960-е гг. ставили в ряд со знаменитыми Екатериной Максимовой и Наталией Бессмертновой.
В 1988 г. Нина Сорокина вышла на пенсию и покинула Большой театр.
После ухода с балетной сцены с 1989 по 1991 г. она работала педагогом-репетитором гастрольной группы "Звезды Большого балета".
С 1993 г. преподавала классический танец в Московской балетной школе под руководством Михаила Лавровского (ныне Московское государственное хореографическое училище им. Л. М. Лавровского).
С 2000 г. была педагогом балетмейстерского факультета Российской академии театрального искусства, руководила мастерской на кафедре хореографии.
Нина Сорокина скончалась 8 октября 2011 г. в Москве на 70-м году жизни. Урна с ее прахом захоронена на Кунцевском кладбище столицы.
Народная артистка СССР (1987).
Была награждена орденом "Знак Почета" (1976).
Лауреат премии Ленинского комсомола (1972).