Нина Тимофеева родилась в Ленинграде, где в 1953 году окончила хореографическое училище и была зачислена в труппу Ленинградского театра оперы и балета. В 1956 году она была приглашена в Большой театр, в котором дебютировала в балете «Лебединое озеро», исполнив партию Одетты-Одиллии. Педагогом балерины сначала была Галина Уланова, потом — Марина Семенова.
В Большом театре Тимофеева исполнила многие главные партии в спектаклях классического репертуара, включая «Спящую красавицу», «Жизель», «Дон Кихот», «Раймонду». Она была первой исполнительницей ведущих женских партий в «Спартаке» и «Легенде о любви».
В 1988 году закончила свою сценическую карьеру, а в 1991-м уехала на постоянное место жительства в Израиль.