Родилась Уилсон 20 февраля 1937 года в семье рабочего Олдена Уилсона и домохозяйки Лилиан Райан; она была старшей из шести детей. Отец Нэнси часто покупал различные музыкальные записи для домашнего прослушивания. Еще в детстве девочка познакомилась с творчеством Билли Экстина, Ната Коула и Джимми Скотта. Позже она сама начала петь – в церковном хоре; довольно быстро стало очевидно, что у нее и в самом деле есть определенный вокальный талант. В четыре года сама Уилсон уже точно решила, что рано или поздно станет певицей.

В пятнадцать лет, будучи ученицей Уэст-Хай-Скул в Коламбусе, штат Огайо, Нэнси выиграла конкурс талантов, устроенный местной телестанцией WTVN. В качестве награды она получила возможность выступить в еженедельном телешоу ‘Skyline Melodies’; через некоторое время Уилсон уже вела эту передачу. С пятнадцати лет девочка уже выступала в различных клубах в Коламбусе.

В семнадцать она окончила школу; еще не будучи окончательно уверенной в надежности избранного карьерного пути, она поступила в колледж. Проучившись в Центральном Государственном Колледже Огайо год, Уилсон все же вернулась на свою первоначальную стезю. Пройдя ряд прослушиваний, девушка получила место в ‘Carolyn Club Big Band’ Расти Брайанта.

Вместе с ними Нэнси путешествовала с концертными турами по Канаде и Мидвесту с 1956-ого года по 1958-ой год. Именно в это время Уилсон выпустила свою первую запись, под логотипом компании ‘Dots Records’.

Через некоторое время Нэнси познакомилась с Джулианом ‘Пушечное ядро’ Аддерли; он предложил певице перебраться в Нью-Йорке – ему казалось, что в большом городе ей будет куда как легче стать известной. В 1959-ом году Уилсон последовала его совету; в планах её значилось максимально быстрое знакомство с менеджером Джулиана, Джоном Леви и получение контракта с ‘Capitol Records’. И четырех недель не прошло, как ей впервые крупно повезло – Нэнси пригласили заменить Ирену Рид в ‘The Blue Morocco’. Довольно скоро клуб заключил с Уилсон постоянный контракт; она пела в его стенах четыре ночи в неделю, в течении дня зарабатывая на жизнь в качестве секретарши в Нью-Йоркском Технологическом Институте. Через некоторое время Джон Леви отослал демо-версии её песен в ‘Capitol Records’; в 1960-ом году у Нэнси уже был контракт.

Дебютный сингл Уилсон, ‘Guess Who I Saw Today’, вышел настолько удачным, что за последовавшие два с небольшим года – с апреля 1960-го года по июнь 1962-го года – в свет вышло сразу пять её альбомов. Первый из них продемонстрировал её таланты в стиле R&B; Аддерли еще тогда предложил Нэнси забыть про её фирменный поп-стиль и переключиться на джаз и баллады.

В 1962-ом году вышел их совместный альбом; он стал достаточно популярным на национальном уровне.

1964-ый год стал ключевым в карьере Уилсон; к этому моменту она уже была известна от побережья до побережья; о ней вышла статья в журнале ‘Time’. Практически всех с первого взгляда поражала её новизна, её свежесть вкупе с явной стильностью и крутизной. В 1964-ом году вышел один из самых известных и по сей день хитов Нэнси, ‘’ (You Don’t Know) How Glad I Am’.

После нескольких появлений в различных телепрограммах Уилсон дослужилась до собственного телешоу; ‘Шоу Нэнси Уилсон’ (‘The Nancy Wilson Show’) выходило на канала NBC с 1967-го года по 1968-ой год ; в 1975-ом году Нэнси даже получила за эту программу ‘Эмми’. В то время она довольно активно участвовала в тележизни страны; помимо собственного шоу и участия в различных программах вроде ‘Шоу Энди Уильямса’ или ‘Шоу Кэрол Бёрнетт’, Уилсон успела сняться в нескольких десятках популярных сериалов.

В конце семидесятых певица получила новый контракт с ‘Capitol Records’. Практически сразу она выпустила альбом в новом для себя жанре – душевного танцевального фанка; к настоящему моменту альбом считается раритетом среди поклонников подобного стиля.

В восьмидесятых Уилсон записала пять альбомов для японских студий; там она могла работать вживую, тогда как американские компании звукозаписи практически не давали ей такой возможности. Очень скоро певица стала настолько популярной, что даже победила на ежегодном Песенном Фестивале в Токио.

В начале девяностых годов Уилсон записала новый альбом, посвященный творчеству Джонни Мерсера; сопродюсером выступил сам Барри Манилоу.

В конце десятилетия певица вступила в ряды благотворительной образовательной организации ‘MCG Jazz’; в этом качестве она выступила на ряде местечковых джаз-концертов.

Нэнси выпустила под их покровительством альбомы ‘RSVP’ и ‘Turned to Blue’ принесли Уилсон ‘Грэмми’ в 2005-ом и 2007-ом годах соотвественно.

В 2010 году Нэнси и Энн исполнили часть песни «We Are the World 25 for Haiti», записанной различными поп-исполнителями в помощь жителям Гаити, пострадавшим после сильного землетрясения в начале года. Песня является ремейком хит-сингла 1985 года «We Are the World», написанной для благотворительного проекта, вырученные средства которого в размере $61.800.000 были направлены на закупку и доставку медикаментов, продовольствия, оказания медицинской и гуманитарной помощи голодающим в Эфиопии.

Позже, в 2010 году, сёстры Уилсон стали частью кампании «Moms Who Rock» рекомендательной системы Pandora Radio, доступной только на территории США.