Нонна Викторовна Мордюкова родилась 25 ноября 1925 года в селе Константиновка, Артёмовского округа (Украина). Детские годы провела на Кубани.
В 1945 году Нонна Мордюкова поступила на актёрский факультет ВГИКа в мастерскую Бориса Бибикова и Ольги Пыжовой. Уже в студенческие годы за актрисой стало закрепляться амплуа «простой русской женщины».
Свою первую кинороль Нонна Мордюкова сыграла, ещё учась на 2-м курсе, в фильме Сергея Герасимова «Молодая гвардия» (1948). Ее героиня - Ульяна Громова.
С 1950 по 1991 годы Н. Мордюкова - актриса Театра-студии киноактёра.
За всё время своей творческой карьеры Нонна Мордюкова снялась во множестве кинофильмов. Среди самых известных её работ: «Молодая гвардия» (1948), «Чужая родня» (1955), «Простая история» (1960), «Председатель» (1964), «Женитьба Бальзаминова» (1964), «Бриллиантовая рука» (1968), «Журавушка» (1968), «Родня» (1981). Последней работой актрисы в кино стал фильм «Мама», снятый кинорежиссёром Денисом Евстигнеевым в 1999 году.
Н.В. Мордюкова скончалась 6 июля 2008 года в Москве на 83-м году жизни. Похоронена на Кунцевском кладбище столицы рядом с могилой сына, Владимира Тихонова.