Nació en Hawaii como Nicole Mary Kidman. Hasta los cuatro años vivió en Estados Unidos, cuando su familia se trasladó a Australia. Su padre investigaba sobre el cáncer de mama en la ciudad de Washington y era al mismo tiempo profesor universitario en Sydney (Australia).

Kidman había comenzado a tomar clases de ballet a la edad de tres años y en Australia ingresó en una escuela de teatro para jóvenes. Su padre se preocupaba de que ella y su hermana menor tuviesen una buena condición física, por lo que les hacía realizar cada mañana ejercicios de gimnasia.

A los 14 años (en 1983) Kidman inició su carrera de actriz cuando intervino en una película ambientada en Navidad, (Bush Christmas), que sigue proyectándose frecuentemente en la época navideña. Al enfermar su madre de cáncer de mama, Nicole Kidman abandonó sus estudios escolares, pero una vez que su madre se recuperó, reanudó su carrera de actriz. A lo largo de los años ochenta apareció en numerosas películas y series de televisión australianas.

En 1989 se dio a conocer en Europa y en Estados Unidos con la película Calma total, rodada todavía en Australia, y co-protagonizada por el actor Sam Neill, también australiano y con su siguiente película, ya estadounidense, Días de trueno, en la que interpretó un papel junto a Tom Cruise. Al año siguiente se casó con Tom Cruise en la noche de Navidad, en un lugar de las Montañas Rocosas, en el estado de Colorado. Inicialmente la boda se mantuvo en secreto. La pareja adoptó dos hijos y vivió entre Los Ángeles, Nueva York y Colorado.

Kidman había alcanzado ya fama, y demostró sus dotes de interpretación y su elegancia en las siguientes películas, en las que actuó con actores tan populares como Bruce Willis y Dustin Hoffman. En 1999 hizo junto con su marido Eyes Wide Shut (Ojos bien cerrados), la que sería la última película del director Stanley Kubrick, y que tuvo una gran resonancia.

Unos años después, en 2002, Nicole Kidman se divorció de Tom Cruise de manera amistosa. Según algunas fuentes la razón principal fue que Cruise insistió en educar a sus hijos según las creencias de la Cienciología (creada por Ron Hubbard), mientras que Kidman quería que fuesen educados según la tradición católica.

El mayor reconocimiento profesional hasta entonces lo obtuvo Kidman en 2001, cuando fue nominada al Oscar como mejor actriz principal por su papel en Moulin Rouge. Con la película de suspense Los otros, dirigida por el director español Alejandro Amenábar, rodada en ese mismo año, también cosechó un éxito importante. Tuvo que renunciar a intervenir en la película Panic Room debido a una lesión en la rodilla contraída durante el rodaje de Moulin Rouge, pero en el año 2002 ganó el Oscar como mejor actriz principal por su interpretación del personaje de la escritora Virginia Woolf en The Hours (Las horas).

El 25 de junio de 2006 contrae matrimonio con el cantante de música country, Keith Urban.