Nikolaj urodził się 27 lipca 1970 roku w Rudkøbing, w Danii. Aktorstwa nauczył się w Statens Teaterskole w Kopenhadze. Studiował tam od 1989 do 1993 roku. Zadebiutował na deskach Betty Nansen Theatre, wcielając się w rolę Laertesa w "Hamlecie". Jednak dopiero dzięki roli w filmie "Nightwatch" w 1994 roku zyskał popularność w Danii.

Jak wielu europejskich aktorów, Nikolaj postanowił spróbować swoich sił w Stanach Zjednoczonych. Okazało się to dobrą decyzją. Jego amerykańska kariera zaczęła się w 2001 roku od roli w Oscarowej produkcji Ridleya Scotta "Helikopter w ogniu". W tym samym roku zagrał też w "Enigmie" Michaela Apteda u boku Kate Winslet. W 2004 roku Nikolaj zaczął współpracę z Richardem Loncraine’em przy filmie "Wimbledon", wcielając się w rolę tenisisty. Rok później po raz kolejny zagrał w filmie Ridleya Scotta. W "Królestwie Niebieskim" wystąpił obok takich aktorów jak Orlando Bloom, Liam Neeson czy Eva Green. Loncraine i Coster-Waldau ponownie spotkali się w 2006 roku przy pracy nad filmem "Firewall", gdzie aktor zagrał obok Harrisona Forda. Po tych licznych sukcesach na wielkim ekranie Nikolaj zajął się grą w produkcjach telewizyjnych. Wystąpił w serialu "Detektyw Amsterdam" i filmie "Wirtualne sny" (2009). W 2011 roku zagrał również w hicie HBO "Gra o tron" jako Jaime Lannister.