Нина Пономарева родилась 27 апреля 1929 года в городе Нижний Тагил Свердловской области. В 1936 году вместе с семьей переехала в Ессентуки. В девятнадцать лет пришла в большой спорт, став третьей в комсомольском кроссе Спартакиады Промкооперации, разнарядка для участия в котором пришла в кооперативный продовольственный магазин, где работала девушка.
В 1948 году Пономарева поступила в Ставропольский государственный институт и начала серьезно заниматься легкой атлетикой. Изначально пробовала свои силы в беговых дисциплинах, позже переквалифицировалась в метательницу диска. В 1949 году стала бронзовым призером чемпионата СССР и перебралась в Москву. На чемпионате СССР 1950 года завоевала серебряную медаль, а в 1951 году выиграла золотую медаль первенства страны.
В 1952 году спортсменка отправилась на дебютные для команды СССР Олимпийские игры в Хельсинки и первенствовала там с новым олимпийским рекордом - 51 м 02 см. Это первая золотая олимпийская медаль для СССР. Таким образом, Нина Пономарева стала олимпийской чемпионкой всего за три года упорных тренировок, за что в зарубежной прессе получила звание «железной леди». Золотая олимпийская медаль стала первой в истории советского спорта.
Сразу после Олимпийских игр на соревнованиях в Одессе Пономарева установила мировой рекорд, послав диск на 53 м 61 см. Затем несколько раз подряд вновь становилась чемпионкой СССР. На Олимпийских играх в Мельбурне завоевала бронзовую награду. В 1960 году на олимпиаде в Риме вновь стала чемпионкой с новым олимпийским рекордом - 55 м 10 см. На играх в Токио показала лишь одиннадцатый результат.
В 1966 году Нина Аполлоновна перешла на тренерскую работу, переехала в Киев, где тренировала юных легкоатлетов. С 1998 года проживала в Москве. Написала книгу воспоминаний «Мой спортивный путь».
Умерла 19 августа 2016 года в возрасте 87-ми лет. Похоронена на Хованском кладбище Москвы. Прах перезахоронен на мемориальном кладбище Министерства обороны РФ 26 сентября. Перезахоронение состоялось по инициативе министра обороны России Сергея Шойгу.
Олимпийские игры
1952 год - Золото
1956 год - Бронза
1960 год - Золото
Бронзовый бюст на Аллее славы ЦСКА. Открыт в 2013 году
СДЮШОР ЦСКА по легкой атлетике присвоено ее имя
Бюст на месте захоронения на мемориальном кладбище Министерства обороны РФ
Была дважды замужем. От второго брака с врачом Владимиром Гариным родила сына - Александра Гарина (род. 1954), фехтовальщик, тренер
Внучка - пятикратная чемпионка мира по фехтованию, внук - футбольный вратарь