Нина Митрофановна Матвиенко родилась 10 октября 1947 года в селе Неделище Житомирской области, Украина.
Пятый ребенок из 11 детей в семье. У матери тоже был талант певицы.
С 11 лет училась в школе-интернате поселка Потиевка Радомышльского района. С 9 класса перешла в школу-интернат в Коростене, там занималась легкой атлетикой и акробатикой, пела песни Людмилы Зыкиной.
По совету учительницы решила профессионально заниматься пением, впервые посетила вокальную студию при хоре им. Г. Веревки. Однако после окончания интерната ей пришлось пойти на коростенский завод «Химмаш». Работала табельщицей, затем ученицей крановщика, впоследствии была переведена в копировальщицы.
Приехала на пробы в эстрадный вокальный ансамбль в Житомире. Из-за манеры пения, не подходящей для коллективного эстрадного исполнения, не прошла отбор.
В 1966 году записалась в вокальную студию при Украинском народном хоре им. Г. Веревки. С 1968 по 1991 год — солистка хора. Также сотрудничает с вокальным трио «Золотые ключи».
В 1978 году певице было присвоено звание заслуженной, в 1985-м — народной артистки Украины.
Снималась в телеспектаклях («Маруся Чурай», «Екатерина Белокур», «Разлились воды на четыре брода»), художественных фильмах («Соломенные колокола», «Пропавшая грамота»), участвовала в радиопостановках («Полет стрелы», «Кларнеты нежности»). Озвучила ряд научно-популярных, хроникально-документальных кинофильмов.
В 1988 году с Ниной Матвиенко был снят видеофильм «Русалкина неделя». С 1989 года певица — член Союза кинематографистов Украины.
Сыграла 16 спектаклей с нью-йоркским театром La Mama E. T. C. Как театральный режиссер поставила музыкальный спектакль «Под солнцем» (1997) с участием японского танцовщика Тадаси Эндо, а также грандиозное музыкально-сценическое действо «Золотой камень посеем мы» (1998).
С 1991 года — солистка Национального ансамбля солистов «Киевская камерата».
В репертуаре певицы множество народных песен: обрядовые, лирические, юмористические, баллады, украинские песни XVII–XVIII веков.
Профессор кафедры музыкального искусства Киевского национального университета культуры и искусств.
Певица написала историю народного хора им. Григория Веревки, опубликовала ряд своих стихов, рассказов и эссе. Ее произведения периодически появляются на страницах таких журналов, как «Украина», «Колокол», «Женский мир» и другие.
В 2003 году в издательстве Украинского центра народной культуры «Музей Ивана Гончара» вышла биографическая книга певицы «Ой, виорю нивку широкую». В ней представлено более 250 народных песен и произведений украинских композиторов из репертуара певицы.
В 2004 году вышла книга воспоминаний Нины Матвиенко «Уже так не будет, как есть».
В 1971 году вышла замуж за художника Петра Гончара, известного украинского фольклориста и этнографа. В семье трое детей: сыновья Иван и Андрей стали художниками, дочь Антонина пошла по стопам матери, поет в ансамбле.
Лауреат Государственной премии УССР им. Т. Г. Шевченко (1988).
В 1996 году награждена Орденом Николая Чудотворца. В 1997 году — Орденом княгини Ольги III степени.
В 2006 году указом президента Виктора Ющенко певице присвоено звание Героя Украины.
В 2016 году Нине Матвиенко присвоено звание «Почетный гражданин Киева».
В 2020 году награждена Орденом княгини Ольги II степени за значительный личный вклад в государственное строительство, социально-экономическое, научно-техническое, культурно-образовательное развитие Украины, весомые трудовые достижения и высокий профессионализм.
