Fils de Bertrand Tavernier, Nils Tavernier fait sa première apparition au cinéma dans un film de son père : Des enfants gâtés en 1977. Il apparaît également en 1982 dans Coup de foudre de Diane Kurys. Suivent ensuite des apparitions dans des longs métrages de son père comme La Passion Béatrice en 1987, L 627 en 1991 et La Fille de d'Artagnan en 1993. Il aussi joué des seconds rôles dans Une affaire de femmes de Claude Chabrol et Valmont de Milos Forman en 1988, Post-coitum, animal triste de Brigitte Rouan en 1996 et Un frère de Sylvie Verheyde en 1997.

Mais Nils Tavernier s'est surtout fait un prénom en réalisant d'abord des courts métrages puis des documentaires pour le cinéma et la télévision parmi lesquels "Femmes algériennes" diffusé en 1995 et Tout près des étoiles sorti en 2001 en salles et dans lequel il fait partager toute sa passion pour la danse. Il a également co-réalisé avec Bertrand Tavernier Histoires de vies brisées : les double peine de Lyon en 2001.

En 2006, il met en scène son premier long métrage, Aurore, un conte de fée sur l'univers de la danse. Puis il travaille en parallèle sur des documentaires aux sujets tournés vers la gémellité (Le Mystère des Jumeaux), l'erreur médicale ("Que reste-t-il de nos erreurs ?") et les problématiques liées au handicap ("Destins de familles, face à la maladie d'un enfant"), thématique qu'il mettra de nouveau en scène en 2014 dans son deuxième long métrage, De toutes nos forces, où un père (Jacques Gamblin) accepte le défi de son fils paraplégique : participer à une compétition sportive.

Nils Tavernier poursuit sa carrière en réalisant des épisodes de séries, comme Vestiaire et Infrarouge, puis retrouve Jacques Gamblin en 2018 pour le biopic montagnard L'Incroyable Histoire du facteur Cheval. Il change ensuite de registre et signe en 2022 la comédie romantique Ima, portée par le chanteur Dadju et la comédienne Karidja Touré. Deux ans plus tard, le cinéaste revient avec La Vie devant moi, qui se déroule à Paris pendant l'Occupation allemande. Le long métrage, là encore inspiré d'une histoire vraie, comprend Guillaume Gallienne et la jeune Violette Guillon dans son casting.

En 2024, le cinéaste est accusé de viol par Jennifer Covillault Miramont, pour des faits qui auraient été commis en 1992, lorsqu'elle avait 13 ans, et par Laura Lardeux, pour des faits datant de 2012, au moment du tournage de De toutes nos forces. Nils Tavernier se dit innocent.