Née à Chicago, au sein d’une famille d’origine portoricaine, Nadine Velazquez suit des études de marketing à l’université avant de se lancer dans le mannequinat au début des années 2000, s’illustrant alors notamment dans plusieurs publicités. Dès 2003, elle s’essaie à la comédie grâce à des apparitions dans les films Chasing Papi, avec Sofia Vergara et Roselyn Sanchez, et Biker Boyz, aux côtés de Laurence Fishburne et Derek Luke, ainsi que dans un épisode de la première saison d’Entourage.

Mais c’est en 2005 que la jeune comédienne se fait réellement connaître, grâce à son rôle régulier de Catalina Aruca, une amie de Earl (Jason Lee) et Randy (Ethan Suplee), qui exerce la profession de femme de ménage dans le motel où ils résident, dans la comédie Earl, qui reste à l’antenne jusqu’en 2009. En parallèle, le public la retrouve également au générique de House of the Dead 2, du long métrage Rogue l’ultime affrontement, dans lequel elle donne la réplique à Jet Li et Jason Statham, et du téléfilm Husband for Hire, où elle incarne Lola, l’héroïne désespérément en recherche d’un mari, face à Mario Lopez et Mark Consuelos.

Velazquez participe ensuite en tant que guest à de nombreuses séries, dont Scrubs, Hawaï Five-O, Les Experts : Miami, ou encore, en 2011, Charlie’s Angels, le remake de courte durée de Drôles de dames. Les téléspectateurs la retrouvent également de manière récurrente dans quelques épisodes de Hart Of Dixie, emmenée par Rachel Bilson, et dans la comédie The League, où elle est Sofia, l’épouse de Rodney Ruxin (Nick Kroll), un avocat passionné de fantasy football.

En 2013, alors qu’elle est aussi à l’affiche au cinéma d’Infiltré, porté par Dwayne Johnson, et de Flight de Robert Zemeckis, dans lequel elle prête ses traits à l’hôtesse de l’air Katerina Marquez, l’actrice américaine rejoint le casting du show policier Major Crimes. Dès le début de la saison deux, elle endosse le rôle de l’assistante du procureur Emma Rios et retrouve ainsi Raymond Cruz, qui interprétait son ex petit-ami dans Earl.

Jérémie Dunand