Нина Мамаева родилась 8 августа 1923 года в Омске[1] (по другим источникам — в 1924 году в Петрограде (ныне Санкт-Петербург))
В 1925 году вместе с семьей переехала в Новосибирск. Занималась в театральной студии Дома Художественного воспитания детей (руководитель — Валентина Викторовна Петухова). Окончив школу в 1941 году, поступила на радиозавод радиомонтажницей, но когда в 1942 году в эвакуацию в Новосибирск приехал Ленинградский театральный институт (ныне Российский государственный институт сценических искусств), пошла туда показываться. По просьбе И. И. Соллертинского её отпустили с завода и в 1946 году, уже в Ленинграде, окончила этот институт (мастерская Л. Ф. Макарьева). Её дипломной работой была роль Сони в спектакле «Дядя Ваня» А. П. Чехов.
В 1946—1954 годах — актриса Ленинградского ТЮЗа (ныне — Театр юных зрителей имени А. А. Брянцева). Её актёрская звезда взошла в этом театре. С большим успехом актриса играла роли молодых героинь: Любашу в спектакле «Бедность не порок», Вику в «Аттестате зрелости», Люсю в спектакле «Её друзья», Аню в «Вишневом саде» и других. Весь Ленинград говорил об актрисе — Джульетте, все стремились увидеть этот спектакль.
В 1954 году была приглашена в Ленинградский театр драмы им. А. С. Пушкина (с 1990 — Александринский театр) на роль Офелии (режиссёр Г. М. Козинцев). Исполнила на сцене этого театра много ролей и всю оставшуюся жизнь была актрисой этого театра.
Играла также в спектаклях других театров Ленинграда: Ленинградский театр эстрады и миниатюр (1981—1983), Ленинградский театр им. Ленинского комсомола (ныне театр «Балтийский дом») (1986—1989).
С 1967 по 1969 годы преподавала в Ленинградском институте театра, музыки и кинематографии на курсе Р. Р. Сусловича.
Ушла из жизни 14 августа 2001 года в Санкт-Петербурге. Похоронена на Литераторских мостках Волковского кладбища.