Nurgül Gültekin 26 Mart 1976'da Afyon'da doğdu. Ortaokul ve lise eğitimini İzmir'de tamamladı. 2001'de Eskişehir Anadolu Üniversitesi Tiyatro bölümünden mezun oldu. Üniversite eğitimi sırasında rol aldığı İkinci Bahar dizisindeki Gülsüm rolü ile tanındı. 2002 yılında Çağan Irmak'ın yönetmenliğini yaptığı Asmalı Konak adlı TV dizisinde Bahar Karadağ rolüyle ününü artırdı. Aynı yıl Teoman'la beraber Mumya Firarda filminde oynadı. 2003 yılında Abdullah Oğuz'un yönettiği Asmalı Konak dizisinin devam filmi olan Asmalı Konak-Hayat'ta Özcan Deniz'le başrolü paylaştı. Yönetmenliğini Atıf Yılmaz'ın yaptığı Eğreti Gelin filmindeki Kostak Emine rolü ile 2005 12. Adana Altın Koza Film Festivali'nde "En İyi Kadın Oyuncu" ödülünü aldı. Aynı yıl Hande Ataizi ile Melekler Adası dizisinde rol aldı.

Yine 2004'te beş yönetmenin yönettiği Anlat İstanbul filminde Saliha karakterini canlandırdı. 2005-2006 sezonunda ATV'de yayımlanan Belalı Baldız dizisinde Berna Laçin ve Kenan Işık'la başrolü paylaştı. 2006'da Cem Özer'le Sen Olmasaydın adlı tiyatro oyununda rol aldı. 2006 yılının eylül ayında Fatih Akın'ın senaryosunu yazdığı, yönettiği ve yapımcılığını üstlendiği Yaşamın Kıyısında isimli filmin çekimlerine başladı. Ayten Öztürk adlı Türk kızını canlandırdığı film 2007'de 60. Cannes Film Festivali'nde Altın Palmiye için yarışmaya hak kazandığı ardından "En iyi Senaryo" ödülünü kazandığı açıklandı. 2007'de Ezo Gelin adlı tv dizisinde Ezo Gelin'i canlandırdı. Ortadoğu'nun en önemli film festivallerinden biri olarak kabul edilen 31. Uluslararası Kahire Film Festivali'nde başkanlığını ünlü İngiliz yönetmen Nicolas Roeg'in yaptığı ana jüride yer aldı.

2007'de Barış Pirhasan'ın yönetmenliğini yaptığı Adem'in Trenleri filminde Hacer rolnde kusursuz bir performans sergiledi. Bu filmdeki oyunuyla 13.Sadri Alışık Oyuncu ödülleri'nde "En İyi Kadın Oyuncu" ödülünü kazandı. Ayrıca Çağdaş Sinema Oyuncuları Derneği (ÇASOD) Geleneksel 15. Oyuncu Ödülleri "En İyi Kadın Oyuncu" Ödülü’nü iki ayrı filmde, birbirinden çok farklı iki rolde birden etkili olmayı ve doğal kalmayı başarması nedeniyle Yaşamın Kıyısında ve Adem’in Trenleri'nin oyuncusu Nurgül Yeşilçay kazandı.

5-20 Nisan 2008 de 27.si düzenlenen Uluslararası İstanbul Film Festivali'nde Semin Kaplanoğlu'nun juri başkanlığını yaptığı ulusal yarışma jurisinde yer aldı. 26 Mayıs 2008'de çekimlerine başlanan Altın Ayı'lı yönetmen Erden Kıral'ın Vicdan adlı filminde Aydanur isimli fabrika işçisi, pavyonda çalışan kadın ve türban takan kadın gibi farklı bir rolde oynadı. buradaki rolü ile 45. Antalya Altın Portakal Film Festivali'nde "En İyi Kadın Oyuncu" Ödülüne layık görüldü. Ocak 2010'da yayına başlayan Aşk ve Ceza isimli dizide Murat Yıldırım ile başrolü paylaştı. 2011'de dizi sona erdi. Aynı yıl içerisinde Show TV'de yayınlanmaya başlayan Sensiz Olmaz adlı dizinin başrolünde yer aldı. Aşk Kırmızı, Gece ve İkinci Şans filmleriyle sinema filmlerinde yer almayı sürdürdü. Muhteşem Yüzyıl Kösem dizisinin 2. sezonunda Beren Saat'in yerini alarak Kösem Sultan'ı canlandırdı. Paramparça dizisinde Gülseren karakteriyle başrolde oynadı.

Melekler Adası dizisindeki rol arkadaşı Cem Özer ile 26 Ekim 2004'te evlendi. 22 Mayıs 2005'te oğlu Osman Nejat'ı dünyaya getirdi. 2011'de ayrıldıar.