Рано лишившись родителей, Нина воспитывалась в одесском детском доме. В начале Великой Отечественной войны, когда фашистские полчища рвались к Одессе, Нина добровольно уходит на фронт. Она была назначена в 25-ю Чапаевскую стрелковую дивизию, в составе которой в годы гражданской войны сражалась ее любимая киногероиня Анка-пулеметчица.
Изучив пулемет еще до войны, на курсах Осоавиахима, Онилова вскоре становится командиром пулеметного расчета. В тяжелых оборонительных боях на подступах к Одессе она со своим расчетом отражала многочисленные атаки, нанося большие потери врагу. В одном из боев Нина была тяжело ранена, но после излечения снова возвращается в свою дивизию. За бои под Одессой Нина Онилова награждается орденом Красного Знамени.
В середине октября 1941 года Онилова в составе дивизии защищает Севастополь. В декабрьские дни 1941 года, когда фашисты повторяли один за другим штурм Севастополя, комсомолка прославилась отвагой и находчивостью. Метким пулеметным огнем ее расчет не раз срывал атаки фашистов и обеспечивал контратаки наших подразделений. Онилова пользовалась большим уважением и любовью всех защитников Севастополя.
В одном из боев за Севастополь полк, в котором она служила, попал в трудное положение. Ей, пулеметчице, было приказано прикрыть огнем санитарную часть батальона. Пулемет Нины косил фашистов, которым удалось обойти расположение санчасти.
Когда бой утих, Нину Онилову, всю израненную, нашли без сознания возле пулемета. Восемь дней боролись врачи за ее жизнь. Спасти Нину не удалось. Ее похоронили в Севастополе, на кладбище Коммунаров, со всеми воинскими почестями.
14 мая 1965 года Н. А. Ониловой посмертно присвоено звание Героя Советского Союза.