Советская и российская актриса. Народная артистка СССР (1974), лауреат Сталинской премии первой степени (1949). Полное имя — Ноябрина.
В 1945 году поступила во ВГИК, в актерскую мастерскую Бориса Бибикова и Ольги Пыжовой. Закончила его в 1950 году. В 1950-1991 — актриса Театра-студии киноактера.
В 1948 году дебютировала в роли Ульяны Громовой в фильме кинорежиссера Сергея Герасимова «Молодая гвардия». Изначально на эту роль режиссер планировал взять Клару Лучко, однако та заболела и ему пришлось взять Нонну Мордюкову. Дебют оказался удачным. За все время своей творческой карьеры Нонна Мордюкова снялась в 62 фильмах.