Sœur des comédiens Serge Marquand et Christian Marquand, Nadine Trintignant débute sa carrière dans le cinéma comme stagiaire au Laboratoire de Tirage Cinématographique puis comme monteuse. Elle travaille notamment sur le film de Michel Boisrond, Une Parisienne (1957), sur deux longs métrages de Jacques Doniol-Valcroze (L'Eau à la bouche et Le Coeur battant qu’interprète son futur mari Jean-Louis Trintignant), et on la retrouve également au générique du Petit soldat de Godard en 1963.
Quatre ans plus tard, cette féministe dans l’âme effectue son passage à la réalisation avec Mon amour, mon amour (1967), un drame abordant le thème de l’avortement. Du rapport à l’enfant, il en sera aussi question dans son Ça n'arrive qu'aux autres (1971), un film interprété par Catherine Deneuve et Marcello Mastroianni et basé sur son histoire personnelle – la perte de sa fille Pauline, décédée en 1969 à l’âge de 9 mois. En 1973, elle change de registre, s’essayant au thriller avec Défense de savoir, là aussi un film porté par un joli casting : Jean-Louis Trintignant, Michel Bouquet, Charles Denner... Mais très vite avec Le Voyage de noces (1975), l’amour conjugal et la relation au couple reviennent au centre de son œuvre. L’occasion se présente alors pour Nadine Trintignant de faire tourner son très jeune fils Vincent. Ce dernier apparaîtra d’ailleurs plus longuement à l’écran dans Premier voyage – l’histoire d’une jeune fille et de son petit frère partis à la recherche de leur père disparu - que réalise sa mère en 1979.
Dans les années 80 et 90, la cinéaste continue à traiter à travers ses films – L'Eté prochain (1985), La Maison de Jade (1988) et Lucas (1993) - de problématiques liées à la famille et à la maternité. Elle participe également à des projets collectifs comme Contre l'oubli (1991) pour Amnesty International et Lumière et compagnie (1995) pour les 100 ans du cinéma. A partir de Rêveuse jeunesse en 1994, celle qui est dorénavant la compagne d'Alain Corneau à la ville va se consacrer essentiellement au petit écran : L'Insoumise (1996), Victoire ou la douleur des femmes (2000) sur le combat féministe des années 30 aux années 70, L'Ile bleue (2001) ou encore Colette, une femme libre .
C’est durant le tournage de ce dernier téléfilm que sa fille Marie décède sous les coups de son compagnon Bertrand Cantat. Une affaire qui fera grand bruit durant l’été 2003 et qui amènera Nadine Trintignant à publier en 2004 cet ouvrage, Ma fille, Marie. Ayant mis depuis sa carrière de réalisatrice entre parenthèses, elle déploie ses talents artistiques dans l’écriture – son autobiographie J‘ai été jeune un jour paraît en 2006 – et dans la mise en scène au théâtre - Ce soir j’ovule de Carlotta Clérici en 2010.