Она родилась в подмосковном городе Лосиноостровске в семье сортировщика на ростокинском меховом комбинате. Незадолго до начала войны семья переехала в Иран, где отцу маленькой Нины поручили заниматься закупкой мехов для советской армии. На чужбине девочка выучила два экзотических языка — фарси и тюрки, а на родину вернулась уже после войны.
В школьные годы Нина увлеклась сценой и начала заниматься в драмкружке. Педагоги быстро разглядели талант девушки и посоветовали ей поступать в театральный вуз. Нина к совету прислушалась и подала документы в Щукинское училище. Успешно сдав вступительные испытания, Дорошина попала на один курс с Инной Ульяновой, Александром Ширвиндтом и Львом Борисовым. Ещё студенткой Нина сыграла в картине Михаила Калатозова «Первый эшелон», а затем появилась в лентах «Безумный день», «Человек родился», «Неповторимая весна» и «Люди на мосту».
Едва получив диплом, Нине посчастливилось выйти на сцену «Современника» — её ввели в спектакль «В поисках радости» по пьесе Виктора Розова, где срочно требовалось заменить исполнительницу роли Веры. Дорошина смогла закрепиться в труппе и в итоге посвятила этому театру всю свою жизнь. Здесь она сыграла свои лучшие роли, во многом благодаря покровительству худрука Олега Ефремова, с которым актрису связывало не только творчество. Дорошина была безумно влюблена в наставника, но тот относился к ней лишь как к одной из многих симпатичных молодых девушек, с которыми можно приятно провести время.
В 1963 году Нина Дорошина снималась в фильме «Первый троллейбус», где одним из её партнёров стал Олег Даль, который был на семь лет младше. Незадолго до съёмок актриса узнала, что Ефремов в очередной раз забыл о ней и увлёкся какой-то красоткой. В расстроенных чувствах Нина пошла купаться, плыла долго, думая о своём, пока не оказалась слишком далеко от берега. На помощь подоспел давно влюблённый в неё Даль. После успешного спасения они проговорили всю ночь, а утром решили пожениться. На их свадьбе гулял весь «Современник». Пришёл и Ефремов — в разгар торжества усадил Нину к себе на колени и на весь зал заявил: «А любишь ты всё-таки меня!». Молодой Даль перенести такого унижения не смог: поднялся с места и ушёл с собственной свадьбы в двухнедельный запой. А когда немного оправился, сразу подал на развод.
С Ефремовым Дорошина осталась в хороших отношениях. Они продолжали работать вместе, но когда мэтр решил покинуть «Современник», Нина его не поддержала и осталась на родной сцене. Однажды спектакль «Любовь и голуби» с её участием увидел режиссёр Владимир Меньшов и решил перенести деревенскую историю на экран. Причём брать театральных актёров в фильм он изначально не планировал. На роль Нади Кузякиной успешно пробовалась Любовь Полищук, но Дорошина, которая играла эту роль уже много лет, была вне конкуренции. Её утвердили даже несмотря на давний конфликт с Людмилой Гурченко. Картина стала самой яркой работой в фильмографии актрисы: после этого она почти не снималась в кино — не было достойных предложений.
Вся её жизнь сосредоточилась вокруг театра. За кулисами Дорошиной было суждено встретить большую любовь. Осветитель Владимир Ишков обожал театр и сам мечтал выходить на сцену, но актёрским дарованием судьба его не наградила. Зато подарила ему жену, которая блистала в главных ролях. Они прожили в согласии и уважении больше двадцати лет, дополняя друга и поддерживая во всём. Про Дорошину говорили, что она могла разве что заварить чай из пакетика, зато её супруг был отличным поваром и готовил настоящие деликатесы. Детей у пары не было, но Нина Дорошина никогда об этом не жалела.
Владимира Ишкова не стало в 2004 году: однажды он возвращался с рынка с тяжёлыми сумками, упал и получил тяжёлую травму, от которой не смог оправиться. С тех пор Нина Дорошина осталась совсем одна в своей московской квартире. Она пережила мужа на 14 лет. В последние годы здоровье артистки резко ухудшилось, у неё отнялись ноги. Помогали ей соседи и знакомые. 21 апреля 2018 года актриса пожаловалась на боль в сердце, но скорая помощь не успела на вызов. Нина Дорошина скончалась от сердечного приступа в 83 года.