После окончания ВГИКа в 1950 году стала актрисой Театра-студии киноактера.
Дебют Мордюковой в кино состоялся еще во время ее учебы - в 1947 году она получила роль Ульяны Громовой из "Молодой гвардии", которую собирался экранизировать режиссер Сергей Герасимов.
Успех пришел к актрисе в 1955 году, когда на экраны страны вышел фильм Михаила Швейцера "Чужая родня", в котором она исполнила роль Стеши. Последующие киноработы выдвинули Нонну Мордюкову в число лучших актрис советского кинематографа.
Актриса снималась в таких фильмах, как "Простая история", "Журавушка", "Комиссар", "Русское поле", "Бриллиантовая рука", "Родня", "Трясина", "Мама". Всего на ее счету более 60 фильмов.