Детские годы будущей актрисы прошли на Кубани – в селе Глафировка, где ее мать работала председателем колхоза. 

В 1945 году Нонна Мордюкова поступила на актерский факультет ВГИКа в мастерскую Бориса Бибикова и Ольги Пыжовой. Уже в студенческие годы за актрисой стало закрепляться амплуа «простой русской женщины». 

Свою первую кинороль, которая сразу принесла ей официальное признание и всенародную любовь, Нонна Мордюкова сыграла на 2-м курсе, в фильме Сергея Герасимова «Молодая гвардия».

В 1950-м Мордюкова окончила институт и была принята в Театр-студию киноактера, в котором прослужила до 1991 года. 

В 1967 году актриса исполнила главную роль в запрещенном фильме Александра Аскольдова «Комиссар». Среди других известных киноработ Мордюковой – роли в фильмах «Простая история», «Женитьба Бальзаминова», «Бриллиантовая рука», «Родня», «Чужая родня».

За все время своей творческой карьеры Нонна Мордюкова снялась в пятидесяти фильмах, последним из которых стал фильм «Мама», снятый режиссером Денисом Евстигнеевым в 1999-м году. 

Актрисы не стало 6 июля 2008 года.