Die in Stuttgart geborene Nina Hoss sprach bereits im Alter von sieben Jahren Hörspielrollen und stand mit 14 das erste Mal auf der Theaterbühne. Im Jahr 1997 schloss sie ihr Schauspielstudium an der Hochschule für Schauspielkunst „Ernst Busch“ in Berlin ab. Es folgten Theaterengagements u.a. am Deutschen Theater in Berlin, beim Berliner Ensemble, am Schauspielhaus Zürich, bei den Salzburger Festspielen und dem Theater im Westen in Stuttgart.
Ihr Filmdebüt gab sie in dem Drama „Und keiner weint mir nach“ von Joseph Vilsmaiers. Bernd Eichinger engagierte Nina Hoss 1996 für die Hauptrolle der Rosemarie Nitribitt in seinem TV-Remake des 50er-Jahre-Erfolgs „Das Mädchen Rosemarie“. Für ihre Rolle der Frankfurter Edelprostituierten, gewann sie ein Jahr später bei der Verleihung der Goldenen Kamera die Lilli-Palmer-und-Curd-Jürgens-Gedächtniskamera als „Beste Nachwuchsdarstellerin“. Für die beiden Fernsehfilme von Christian Petzold „Toter Mann“ (2002) und „Wolfsburg“ (2003) wurde sie jeweils mit dem Adolf-Grimme-Preis ausgezeichnet. Mit der Komödie „Nackt“ (2001) von Doris Dörries und dem Afrika-Epos „Die weiße Massai“ (2004) von Hermine Huntgeburths war sie ebenso im Kino erfolgreich.
Für ihre Leistung im Kinodrama „Yella“ von Christian Petzolds wurde sie 2007 auf der Berlinale mit dem Silbernen Bären als „Beste Darstellerin“ geehrt.
2011 wurde die Schauspielerin in die Wettbewerbsjury der 61. Internationalen Filmfestspiele von Berlin berufen und war 2016 Jurymitglied des Filmfestival Venedig.
Unter der erneuten Regie von Christian Petzold übernahm sie ein Jahr darauf die Titelrolle im Spielfilm „Barbara“, der 2012 auf der Berlinale ausgezeichnet wurde. 2014 feierte sie Premiere an der Schaubühne Berlin und war u.a. in den Filmen „A Most Wanted Man“ von Anton Corbijn und „Phoenix“ von Christian Petzold auf großer Leinwand zu sehen.
In den Jahren 2016 und 2017 folgten der US-Serienhit „Homeland“ und „Return to Montauk“, bei dem Volker Schlöndorf Regie führte und auf der Berlinale Weltpremiere feierte.