Après des débuts chantés et dansés aux côtés de Duke Ellington notamment, et quelques rôles sur les planches, Nichelle Nichols, née Grace Dell Nichols en 1932, apparaît en 1964 dans un épisode de la série The Lieutenant (S1E21), signé Gene Roddenberry. Le showrunner lui confie deux ans plus tard le rôle de Nyota Uhura, officier chargée des communications de l'USS Enterprise dans la série Star Trek.

Avec ce rôle, Nichelle Nichols brise les barrières et devient une véritable icône. Elle est ainsi l'une des premières comédiennes afro-américaines à apparaître dans un rôle principal à la télévision (Roddenberry menaça les producteurs, réticents en raison de sa couleur de peau, de quitter la série si elle n'était pas retenue). Elle offre par la suite, avec William Shatner, l'un des premiers baisers "interraciaux" de la télévision américaine en 1969 (S3E10), alors que le pays vit encore en pleine ségrégation (de nombreuses chaînes de télévision sudistes décidèrent ainsi de ne pas diffuser l'épisode).

Celle qui envisageait de quitter la série après la première saison pour se consacrer à d'autres projets (c'est Martin Luther King, grand fan, qui la convaincra de l'importance de ce rôle sans stéréotypes ni références à sa couleur de peau) campera le Lieutenant Uhura durant trois saisons et 69 épisodes, avant de retrouver le personnage dans les 22 épisodes de la série animée (1973-1975), dans six longs métrages entre 1979 et 1991 ainsi que dans différents jeux vidéo dérivés de la franchise.

Figure inspirante, immortalisée sur le Walk of Fame et sur le parvis du légendaire cinéma Chinese Theatre de Los Angeles, Nichelle Nichols était l'un des soutiens majeurs de la NASA et des programmes spatiaux, encourageant de nombreuses astronautes de couleur à suivre ses pas. Icône de la science-fiction, elle est également apparue dans Heroes, Futurama (dans son propre rôle), Les Simpson et récemment Star Trek Renegades Ominara. Son rôle de Uhura a été repris par Zoe Saldana dans le reboot cinématographique de 2009.

Nichelle Nichols, qui a poussé la chansonnette à deux reprises durant la première saison de Star Trek, avait sorti deux albums de chansons en 1967 (Down to Earth) et en 1991 (Out of This World) et coécrit et chanté le morceau Gene aux funérailles de Gene Roddenberry en 1991. Un astéroïde de la ceinture principale, découverte en 2001, a été baptisé en son honneur : 68410 Nichols.