Alors qu’elle est âgée d'une dizaine d’années, Nina Meurisse est choisie par Patricia Mazuy pour partager l’affiche de son film Saint-Cyr avec Isabelle Huppert. Par la suite, elle continue ses études puis, le baccalauréat en poche, se rend à Paris où elle entre au Conservatoire d'Art dramatique du 14ème arrondissement, ainsi qu'au Studio Théâtre d'Asnières. Il faut attendre 2002 pour à nouveau voir son visage sur les écrans, mais cette fois-ci de télévision, puisqu'elle participe au téléfilm Des épaules solides d'Ursula Meier. La même année, à seulement 14 ans, elle réalise un premier court métrage, Petit traité de marketing, qui reçoit le Prix de l'Humour au Festival de Houlgate.

Dans les années qui suivent, Nina Meurisse joue principalement dans des courts métrages, dont L'Escalier (2003) et Rachel (2006), deux films de Frédéric Mermoud qui remportent de nombreux prix (le second est nommé au César du Meilleur Court Métrage en 2008). Evidemment, quand Mermoud se lance dans la mise en scène de son premier long métrage (Complices, 2010), il fait appel à la comédienne qui endosse le rôle central de cet intense thriller avec Gilbert Melki et Emmanuelle Devos. Sa carrière s'accélère les deux années suivantes, où elle est à l’affiche de trois films importants : les drames Léa (2011) et La Brindille (id.), puis le policier Mains armées (2012).

Tournant à un rythme soutenu, Nina Meurisse obtient plusieurs seconds rôles lui permettant de donner la réplique à des comédiens confirmés comme à de jeunes espoirs comme elle. Elle prend ainsi part à Au bout du conte d’Agnès Jaoui, Juliette de Pierre Godeau, Lulu femme nue de Sólveig Anspach, Les Chaises musicales de Marie Belhomme, Je suis un soldat de Laurent Larivière ou encore Place publique, à nouveau réalisé par Agnès Jaoui.

En 2019, Nina Meurisse est choisie pour jouer le rôle-titre du biopic Camille, une jeune photographe française partie en Centrafrique pour couvrir la guerre civile et qui y a trouvé la mort dans une embuscade, alors qu'elle accompagnait un groupe de miliciens. Pour cette prestation particulièrement marquante, la jeune comédienne est nominée dans la catégorie "Révélation" aux César de 2020.