Родилась 10 октября 1947 года в с. Неделище Житомирской области, Украина. Была пятым из одиннадцати детей в семье Митрофана Устиновича и Антонины Ильковны Матвиенко.

Училась в школе-интернате для детей из многодетных семей в с. Потиевка Радомышльского района Житомирской области.

С 1968 года, после окончания вокальной студии при Украинском народном хоре им. Г. Верёвки (преподаватель по вокалу — Юлия Кроткевич), — его солистка. Сотрудничает также с вокальным трио «Золотые ключи». В качестве солистки хора победила на Всеукраинском конкурсе «Молодые голоса» (1978), Всесоюзном телевизионном конкурсе «С песней по жизни» (1979), Всемирном конкурсе фольклорных песен в Братиславе (1979), XII Всемирном фестивале молодёжи и студентов в Москве (1985). В 1979 году она стала заслуженной, а в 1985 г. — народной артисткой Украины. С 1991 года является солисткой Национального ансамбля солистов «Киевская Камерата».

В репертуаре певицы много народных песен, среди которых обрядовые, лирические, юмористические, песни-баллады, украинские песни XVII–XVIII вв. Сотрудничает Нина Матвиенко и с известными украинскими композиторами — Евгением Станковичем, Олегом Кивой, Мирославом Скориком, Ириной Кирилиной, Анной Гаврилец и др.

Певица ведет активную гастрольно-концертную деятельность. Нина Матвиенко с успехом гастролировала во многих странах мира, таких как Польша, Финляндия, Франция, Чехия, Канада, Мексика, США. Её творчество широко тиражировано на разнообразных носителях — от грампластинок до компакт-дисков.

В 1975 году заочно окончила филологический факультет Киевского университета, активно занималась литературным творчеством. Является профессором кафедры музыкального искусства Киевского национального университета культуры и искусств.

Снималась в телеспектаклях («Маруся Чурай»; «Екатерина Белокур»; «Разлилися воды на четире брода»), художественных фильмах («Не пройдёт и года...», 1973; «Прощайте, фараоны!», 1974; «Соломенные колокола», 1987), принимала участие в радиоспектаклях («Полёт стрелы», «Кларнеты нежности»). В 1988 году с Ниной Матвиенко был снят видеофильм «Русалкина неделя». С 1989 года — член Союза кинематографистов Украины.

Певица озвучила ряд научно-популярных, хроникально-документальных кинофильмов, несколько теле- и радиопрограмм. Нина Матвиенко сыграла 16 спектаклей с нью-йоркским театром La Mama E. T. C. Среди авторских театрально-режиссёрских работ актрисы — музыкальный спектакль «Под солнцем» (1997) с участием японского танцовщика Тадаши Эндо, а также грандиозное музыкально-сценическое действо «Золотой камень посеем мы» (1998).

С 2004 года принимает активное участие в политической жизни страны.