Nicolas Giraud passe son enfance dans le petit village du Chay en Charente-Maritime. Il débute au cinéma devant la caméra de Bruno Podalydès dans Liberté-Oléron. Sa rencontre avec David Oelhoffen pour les besoins du court métrage Sous le bleu est décisive. Le jeune comédien est alors récompensé au Festival du Court Métrage de Lille. Leur collaboration se poursuit avec Nos retrouvailles pour lequel il reçoit le Prix d’Interprétation Masculine au Festival de la Réunion. Dans Comme une étoile dans la nuit de René Féret, il bouleverse critique et public en jeune homme atteint de la maladie de Hodgkin.

On le retrouve dans le film de Jean-Xavier de Lestrade Sur ta joue ennemie et la superproduction Taken de Pierre Morel. Après Vertige et Je ne dis pas non, il est convié par Luc Besson à vivre Les aventures extraordinaires d’Adèle Blanc-Sec, d’après la bande-dessinée de Jacques Tardi. Il retrouve René Féret pour Nannerl, la sœur de Mozart et rejoint Catherine Frot au casting de Coup d’éclat de José Alcala. Il retrouve Jacques Gamblin et Denis Podalydès dans Le Premier Homme de Gianni Amélio, accompagne Karine Silla dans son premier film Un baiser papillon et part Voir la mer pour Patrice Leconte.

Il participe ensuite aux Tribulations d’une caissière filmées par Pierre Rambaldi et visite Les Jardins du Palais Royal en compagnie de Luca Guadagnino. Il joue également dans la fresque Ce que le jour doit à la nuit d’Alexandre Arcady et surprend dans le film d’horreur Aux yeux des vivants. Après Géographie d’un coeur malchanceux, il incarne le rôle-titre de Anton Tchekhov – 1890 de René Féret et connaît les affres de la Grande Guerre dans Les Gardiennes de Xavier Beauvois. Artiste talentueux et polyvalent, Nicolas Giraud ajoute une nouvelle corde à son arc comme auteur et réalisateur. Son court métrage Faiblesses est salué à la Semaine de la Critique du Festival de Cannes 2009.

Il passe avec succès au long métrage grâce à l’émouvant Du soleil dans mes yeux, adapté du roman L’impureté d’Irène de Philippe Mezescaze. Sur le petit écran, il participe aux téléfilms La Petite Fadette de Michaëla Watteaux, Candidat libre de Jean Baptiste Hubert, et devient braqueur altruiste dans Robin des pauvres de Frédéric Tellier. On le remarque aussi dans Le Général du roi de Nina Companeez. Sur scène, il s’invite dans Le Squat de Jean-Marie Chevret au Théâtre Édouard VII avant d’être dirigé par Ladislas Chollat dans Je ne serai pas au rendez-vous de Patricia Haute Pottier aux Mathurins.

En 2020, il se lance à l’assaut de son second long métrage L’astronaute.