По отцовской линии Нина Берберова происходила из крымских армян, выведенных при Екатерине II из Крыма и основавших город Нахичевань-на-Дону (ныне — часть Ростова-на-Дону). Её дед, Иван Минасович Берберов, был известным врачом, получившим образование в Париже; отец, Николай Иванович, после окончания физико-математического факультета Московского университета поступил в Министерство финансов и в 1917 году был чиновником по особым поручениям при министре. Он сохранял армяно-григорианское вероисповедание. Мать — из семьи тверских помещиков Карауловых.

Берберова окончила гимназию в Петрограде. В 1919 году семья Берберовых переехала в Ростов-на-Дону, где Н. Н. Берберова училась на историко-филологическом факультете Донского университета (1919—1920). В городе на ул. Майской сохранился дом Берберовых. В 1920 году Н. Н. Берберова вернулась в Петроград. Благодаря первым стихам она в 1921 году вошла в поэтические круги Петрограда. Её первое стихотворение было опубликовано в феврале 1922 года в журнале, изданном небольшим тиражом, к первой годовщине литературной группы «Серапионовы братья». Вступила в петроградский филиал Всероссийского союза поэтов. Проживала в ДИСКе по адресу Невский проспект, 15.

В июне 1922 года с мужем В. Ф. Ходасевичем эмигрировала из РСФСР, не зная о том, что это навсегда. Формальной причиной выезда у В. Ф. Ходасевича значилось «поправление здоровья», у Н. Н. Берберовой — «поправление образования». Пару провожали только родители Нины.

Жила в Веймарской республике (июнь-ноябрь 1923 года), Чехословакии, фашистской Италии. В 1924 году вместе с В. Ф. Ходасевичем переехали в Сорренто к Горькому и прожили там полгода (до 18 апреля 1925). С 1925 года окончательно обосновались в Париже, где получили статус апатридов, не оставляющий средств и надежд на безбедное существование.

Много лет трудилась в эмигрантских изданиях «Последние новости» и «Русская мысль» (Париж). Разошлась с В. Ф. Ходасевичем в 1932 году, но бывшие супруги продолжали оставаться добрыми друзьями вплоть до смерти В. Ф. Ходасевича в 1939 году.

В 1936 году Н. Н. Берберова официально вышла замуж за журналиста, художника, члена партии социалистов-революционеров Н. В. Макеева (1889—1975); для обоих это было повторным браком. Роман завязался в 1932 году, после ухода Н. Н. Берберовой от В. Ф. Ходасевича. Во время Второй мировой войны супруги оказались в немецкой оккупации, проживая в деревне под Парижем. В 1947 году развелись.

Ряд современников обвинял Н. Н. Берберову в пронацистских симпатиях и в неблаговидном поведении при немецкой оккупации. При этом при оккупации она не печаталась, сама она отрицала обвинения в коллаборационизме, хотя признавала наличие определённых иллюзий в отношении Гитлера, имевшихся у неё очень недолгое время. От этих иллюзий её избавила нацистская политика в отношении евреев, и, прежде всего, отправка в лагерь смерти О. Марголиной-Ходасевич, второй жены В. Ф. Ходасевича.

В 1950 году Н. Н. Берберова навсегда уехала из послевоенной Франции в США, где у неё было несколько знакомых эмигрантов. Английского языка Н. Н. Берберова не знала, уехала с двумя чемоданами вещей (в одном ― спасённый архив В. Ф. Ходасевича) и 75 долларами в кармане (25 взяты в долг). В 1952 году стала донором, о чём упомянуто в автобиографии. В 1954 году вышла замуж за пианиста и педагога Георгия Александровича Кочевицкого (George А. Kochevitsky). Получила американское гражданство в 1959 году.

С 1958 года преподавала русский язык в Йельском университете. С 1963 года вплоть до выхода на пенсию в 1971 году преподавала русскую литературу в Принстонском университете. «Выход на пенсию» означал для Н. Н. Берберовой работу приглашённым лектором в Корнеллском, Колумбийском, Пенсильванском университетах, в университете Брин-Мора. В 1958—1968 годах была членом редколлегии литературного альманаха «Мосты», издававшегося в Мюнхене.

В 1983 году состоялся развод с Г. А. Кочевицким.

В сентябре 1989 года посетила перестроечный СССР, встречалась с литературной общественностью Москвы и Ленинграда. Дала два интервью журналисту Ф. Н. Медведеву (до и после поездки). Интервью «Хочу увидеть то, что оставила в юности» было опубликовано в его сборнике «После России» (стр. 70—91).

В 1991 году друзья и коллеги Н. Н. Берберовой по Йельскому университету отметили её 90-летие обедом в библиотеке Бейнеке. В 1991 году Н. Н. Берберова переехала из Принстона (штат Нью-Джерси) в Филадельфию.

Умерла Н. Н. Берберова 26 сентября 1993 года в Филадельфии. Согласно последней воле ещё в продолжении года после смерти в доме, где она жила, зажигался свет.