Nicole Garcia quitte son Algérie natale après ses études secondaires, et s'inscrit en faculté de droit tout en prenant des cours de théâtre. Elle intègre ensuite le Conservatoire où elle obtient un premier prix de Comédie moderne en 1969. Apparue à l'écran en 1968 dans Des Garçons et des filles et Le Gendarme se marie, elle est remarquée en 1974 dans Que la fête commence de Bertrand Tavernier

La jeune Nicole Garcia est à l'affiche de films particulièrement audacieux, par leur thématique (La Question et L'Honneur d'un capitaine, sur la guerre d'Algérie) ou leur esthétique (Duelle de Rivette et Mon oncle d'Amérique, le récit-puzzle de Resnais en 1980). Mais c'est grâce au Cavaleur, la comédie de de Broca avec Jean Rochefort -alors son compagnon- qu'elle décroche le César du Meilleur second rôle féminin en 1978. Le succès de la saga de Lelouch Les Uns et les Autres, assoit la popularité de l'actrice qui, dans les années 80, incarne avec énergie et sensibilité les différents visages de la femme moderne, entre émancipation (Garçon ! de Sautet), séduction (Péril en la demeure de Deville en 1985) et ambition (Le Quatrieme Pouvoir).

Comme ses amies Christine Pascal et Brigitte Rouan, Nicole Garcia entame ensuite une carrière de réalisatrice. Après 15 août, court présenté à Cannes en 1986, elle signe plusieurs longs-métrages qui témoignent de son sens du romanesque. Elle y décrit la trajectoire sinueuse, entre échappée belle et descente aux enfers, de personnages en crise, offrant ainsi des rôles en or à de grands comédiens : Nathalie Baye en mère divorcée dans Un week-end sur deux (premier opus salué par la critique en 1990), Gérard Lanvin en Fils préféré, avec à la clé un César du Meilleur acteur en 1995, Deneuve en courtière alcoolique dans Place Vendôme (performance qui lui vaut le Prix d'interprétation à Venise en 1998) et Auteuil en mythomane dans L'Adversaire. Cette évocation de l'affaire Romand est présentée à Cannes en 2002 tout comme, quatre ans plus tard, le film choral au masculin Selon Charlie.

Si elle ne joue pas dans ses propres films, Nicole Garcia n'en continue pas moins de faire l'actrice, pour d'autres réalisateurs, mais aussi au théâtre et pour le petit écran. Epouse volage de Jean-Pierre Bacri dans Kennedy et moi de Sam Karmann, elle campe, avec une réjouissante cruauté, des mères désaxées dans Betty Fisher et autres histoires (2001) et La Petite Lili (2003), deux films mis en scène par Claude Miller.

Elle campe la femme de Jacques Dutronc au bord de la crise de nerfs et est attirée par André Dussolier dans le premier film d'Eric de Montalier, Ma place au soleil, avant de recouvrir les traits d’une conseillère du planning familial imaginée par Claire Simon, Les Bureaux de Dieu. Après ce film exclusivement porté par des femmes d'exception, Sébastien Lifshitz l’imagine en mère violente et brisée dans Plein sud qui redécouvre son fils, Sam, qu'elle avait abandonné.

En 2010, elle repasse derrière la caméra et s'entoure d'acteurs dans l'air du temps tels que Marie-Josée Croze, métamorphosée en blonde platine, Sandrine Kiberlain sensible, et Jean Dujardin, à fleur de peau, dans une comédie dramatique, Un balcon sur la mer, ayant pour toile de fond la Guerre d'Algérie. Ce film lui donne l'occasion pour la première fois d'évoquer sa ville natale, Oran. Après avoir joué dans le film choral Gare du Nord de Claire Simon, donnant ainsi la réplique au très en vogue Reda Kateb, Nicole Garcia fait tourner Louise Bourgoin et Pierre Rochefort dans Un beau dimanche, un drame sensible ans lequel un instituteur retourne dans sa famille riche pour aider une jeune femme endettée.

La native d'Oran poursuit à la réalisation avec le drame Mal de pierres, porté par Marion Cotillard dans la peau d'une femme emprisonnée par un mariage sans amour qui s'éprend d'un autre homme, puis le thriller Amants, dans lequel Pierre Niney, Stacy Martin et Benoît Magimel composent un triangle amoureux. Parallèlement, Nicole Garcia n'en oublie pas le jeu, comme en témoignent ses prestations dans Belles familles de Jean-Paul Rappeneau, De plus belle d'Anne-Gaëlle Daval, Celle que vous croyez de Safy Nebbou et Un beau matin de Mia Hansen-Løve.