Médaillée d'or au championnat de la Fédération française de danse, Nailia Harzoune se passionne peu à peu pour l’art dramatique en suivant les cours du Conservatoire municipal W.A. Mozart. Après une apparition dans Les Petits Meurtres d'Agatha Christie, la jeune femme participe au Choix de Myriam, une mini-série sur l'arrivée en France de la première génération d'immigrés algériens au début des années 60. Pour son premier long-métrage, elle donne la réplique à François-Xavier Demaison et Pascale Arbillot dans la comédie romantique Divorces!, de Valérie Guignabodet. En 2011, le court-métrage Shéhérazade et le délice casher lui permet de décrocher une nomination en tant que jeune espoir féminin au festival Jean Carmet des seconds rôles. Elle y incarne une jeune Palestinienne sans-papiers aux côtés de Fanny Ardant.

Dans la fiction de France 2 L’attaque, Nailia Harzoune retrouve Lionnel Astier, rencontré plus tôt sur le tournage de Pour ma fille, de Claire de la Rochefoucauld. Elle croise, cette même année, la route de Joséphine, ange gardien sur TF1. L’épisode, avec Valérie Kaprisky en guest, est d’ailleurs centré sur son personnage, une jeune femme qui cache ses origines populaires pour obtenir un poste important au sein d’une grande entreprise. En 2014, elle est dirigée par Tony Gatlif pour son film musical Geronimo, avec Céline Sallette, présenté en séance spéciale au Festival de Cannes. Changement d’univers avec le thriller Made in France, de Nicolas Boukhrief, dans lequel des jeunes montent une cellule djihadiste pour semer le chaos dans la capitale. Avec Renaître, son court primé au Festival International du Film Francophone de Namur, le réalisateur belge Jean-François Ravagnan met en lumière le talent de la comédienne. Quelques mois plus tard, le public la découvre sur Arte aux côtés de Robinson Stévenin dans Neuf jours en hiver, mention spéciale du jury lors du 17ème festival de la fiction TV de La Rochelle. C’est dans le milieu carcéral qu’elle est amenée à côtoyer Sophie Marceau dans La Taularde, d’Audrey Estrougo. Elle se laisse ensuite embarquer par Karim Dridi dans son film Chouf, offrant une immersion dans les quartiers nord de Marseille gangrénés par le trafic de drogue. Grand Corps Malade la choisit pour prêter ses traits à Samia dans le touchant Patients, son premier long-métrage inspiré de sa propre vie. Enfin, la jeune femme est à nouveau dans les salles, au printemps 2019, avec un rôle secondaire dans le drame Mais vous êtes fous, inspiré d'une histoire vraie.

En juin 2019, les téléspectateurs de M6 font sa connaissance dans la comédie familiale Le Grand Bazar. Nailia Harzoune y forme, avec Grégory Montel (Dix pour cent) un couple à la tête d’une famille recomposée mixte au quotidien mouvementé. Alors qu’un nouveau-né vient agrandir la tribu, les jeunes parents doivent conjuguer avec un entourage trop envahissant.