Народная артистка РСФСР Нина Дорошина родилась в Лосиноостровске (ныне — Москва) 3 декабря 1934 года. Большую часть детства провела в Иране, где ее отец закупал меха для Красной Армии, семья вернулась в Россию только после Второй мировой войны.

После окончания Театрального училища им. Щукина поступила на службу в труппу театра «Современник», где дебютировала в 1958 году. С 1955 года снималась в кино — ее первой заметной работой стала картина Михаила Калатозова «Первый эшелон». На съемках у нее завязался роман с Олегом Ефремовым, который в 1963 году стал причиной ее расставания с Олегом Далем.

В 1984 году Дорошина начала преподавать в Щукинском училище. В 1984 году всесоюзную популярность ей принесла роль Нади, жены главного героя фильма Владимира Меньшова «Любовь и голуби». Режиссер говорил, что ей удалось «создать матрицу русской женщины с ее наивностью, хитростью, вздорностью, любовью».

В середине 1980-х она вышла замуж за мастера по свету театра Современник Владимира Тышкова, с которым они прожили до его смерти в 2004 году. В 2007 году высокие оценки зрителей и критиков завоевал спектакль Галины Волчек с Дорошиной и Гафтом в главных ролях «Заяц. Love story». В 2017 году стало известно, что здоровье актрисы сильно ухудшилось, а сама она живет в одиночестве. О ее смерти сообщили 21 апреля 2018 года — Дорошина умерла от остановки сердца у себя дома. 3 декабря выдающейся актрисе исполнилось бы 85 лет.