В 1942 году Нина Мамаева была принята в Ленинградский театральный институт, который в это время находился в эвакуации в Новосибирске, а в 1946 году окончила учебу уже в Ленинграде по классу профессора Л.Ф. Макарьева и сразу же была принята в Ленинградский ТЮЗ, где проработало до 1954 года.
Здесь она с большим успехом играла роли молодых героинь: Любаша («Бедность не порок»), Джульетта («Ромео и Джульетта»), Вика («Аттестат зрелости»), Аня («Вишневый сад») и других.
В 1954 году Нина Мамаева была приглашена в Ленинградский театр драмы имени Пушкина (Александрийский), где актриса сразу же заняла ведущее положение.
Здесь ей были сыграны Нина Заречная («Чайка»), Полина («Игрок»), Донна Анна («Маленькие трагедии»), Настя («На дне»), Кукушкина («Доходное место»), пани Дульская («Мораль Дульской») и многие другие роли. Она сыграла на сцене Пушкинского много ролей и всю оставшуюся жизнь была актрисой этого театра.
Дебют Нины Мамаевой в кино состоялся в 1951 году в фильме «Белинский». В отличие от театра, в кино актрисе доставались, в основном, роли второго плана и эпизоды. Среди работ: Майя Константиновна Устинова («Искатели»), Лиза («Пучина»), Полина Ивановна («О любви»).
Ушла из жизни 14 августа 2001 года в Санкт-Петербурге, похоронена на Литераторских мостках Волковского кладбища.