Nasce nel 1960 a Cesena. Dopo aver studiato al liceo classico ha frequentato l'Accademia di Arte Drammatica a Roma e ha esordito nel cinema interpretando il ruolo della Madonna in Tu mi turbi (1983) di Roberto Benigni. Dopo il debutto ha lavorato in Segreti segreti di Giuseppe Bertolucci, in Down by Law di Jim Jarmusch (accanto a Benigni, Tom Waits e John Lurie) e in Come sono buoni i bianchi (1987) di Marco Ferreri. Nel 1988 è stata ancora diretta da Benigni in Il piccolo diavolo, dove ha recitato accanto a Benigni e Walter Matthau interpretando il ruolo della diavolessa Nina. E' poi tornata a recitare con Jim Jarmusch in Mistery Train, nella parte di una turista italiana in visita a Memphis, e di nuovo con Giuseppe Bertolucci in un episodio del film La Domenica specialmente (1991).
Nel 1991, accanto a Benigni, è stata la protagonista femminile di Johnny Stecchino, nel ruolo di Maria. Nel 1993, diretta da Blake Edwards nel film Il figlio della pantera rosa, Nicoletta Braschi ha interpretato il personaggio di Jacqueline; l'anno dopo (1994), diretta un'altra volta dal suo futuro marito, ha vestito i panni di Jessica Rossetti in Il mostro. Nel 1995 è stata Marta nel film di Roberto Faenza Sostiene Pereira e, nello stesso anno, Graziella Chiarcossi, nipote di Pasolini, nel film di Marco Tullio Giordana Un delitto italiano. Ne film di Paolo Virzì, Ovosodo, è la professoressa Giovanna.
Nel film di Roberto Benigni La vita è bella Nicoletta Braschi è Dora. nel 2002 è di nuovo accanto a Benigni nel ruolo della Fata Turchina in Pinocchio. Nel 2005 è ancora la protagonista femminile del film La tigre e la neve diretto dal marito Roberto Benigni.
