Bố bà qua đời sớm nên mẹ bà phải gánh vác mọi việc.[2] Với năng khiếu âm nhạc, bà làm người chơi đàn mandolin trong Đội Nhi đồng Mai Hắc Đế lúc 9 tuổi. Năm 1946, khi chiến tranh Đông Dương xảy ra, bà cùng gia đình chuyển lên chiến khu Việt Bắc.[3] Năm 1950, bà tham gia đội văn nghệ học sinh sư phạm Khu Học xá Trung Ương với nhiệm vụ là múa, hát và chơi violin. Cuộc đời của Nguyễn Thị Nhung bắt đầu có ngã rẽ khi bà được cơ quan Cục Tiếp tế vận tải (Bộ Tài chính) cử đi học tại Trường Sư phạm Trung ương - Khu học xá Nam Ninh, Trung Quốc vào năm 1951. Tại nơi đây, bà đã được học chuyên sâu về sư phạm và âm nhạc.[2] Cuối năm 1954, bà cùng đoàn học sinh sư phạm Khu Học xá Trung Ương tham gia Liên hoan Văn công toàn quốc tại Hà Nội. Một năm sau, Nguyễn Thị Nhung nhận công tác giảng dạy âm nhạc tại Trường cấp II Trưng Vương, Hà Nội. Trong khoảng thời gian này, bà tham gia học một lớp bổ túc âm nhạc kéo dài 8 tháng do các nhạc sĩ thành lập và huấn luyện. Những lớp học này là tiền thân của Học viện Âm nhạc Quốc gia Việt Nam.[4]

Trong khoảng thời gian học lớp bổ túc âm nhạc, Nguyễn Thị Nhung đã sáng tác một số ca khúc cho thanh niên, học sinh như "Ngày vui sướng của em", "Thay trời làm mưa", "Con đường tươi đẹp", "Trời sáng lên rồi", trong đó ca khúc "Thay trời làm mưa" viết năm 1956 đã được giải thưởng của cuộc thi sáng tác âm nhạc nghiệp dư của Hội Nhạc sĩ Việt Nam.[5] Năm 1959, bà học trung cấp violin tại Trường Âm nhạc Việt Nam (nay là học viện Âm nhạc Quốc gia Việt Nam). Sau khi tổt nghiệp trung cấp, bà được giữ lại làm giảng viên dạy sơ cấp của trường. Với niềm đam mê sáng tác, năm 1965, bà thi Đại học chuyên ngành sáng tác dưới sự dẫn dắt của nhạc sĩ Chu Minh.[5]

Thời kỳ học Đại học chuyên ngành sáng tác Âm nhạc được xem là thời kỳ khó khăn của bà.[5] Khi chiến tranh xảy ra ác liệt ở miền Bắc Việt Nam, bà đã đi sơ tán một mình cùng con nhỏ. Tuy vậy, bà đã hoàn thành chương trình học tập với nhiều tác phẩm, tiểu phẩm viết cho đàn piano và các ca khúc.[6] Bà tiếp tục tham gia giảng dạy tại khoa sáng tác trước khi được cử đi tu nghiệp ở Nhạc viện Sofia (Bulgaria) vào năm 1969.[6] Trong khoảng thời gian ở nước ngoài, Nguyễn Thị Nhung được học tập các giáo sư, qua đó bà đã tiếp thu được nhiều kiến thức trong lĩnh vực sáng tác và được nâng cao trình độ ở môn kiến thức âm nhạc, đặc biệt là phân tích tác phẩm.[6] Năm 1972, bà trở về Việt Nam tiếp tục tham gia công tác giảng dạy. Vừa giảng dạy, bà vừa thực hiện nghiên cứu các vấn đề trong âm nhạc dân gian Việt Nam để chuẩn bị luận án. Vì vậy, các tác phẩm được bà viết trong giai đoạn này thường có cấu trúc không lớn.[7] Cùng năm, bà sáng tác "Nữ anh hùng miền Nam", là tác phẩm thơ giao hưởng đầu tiên của bà.[8]

Năm 1981, Nguyễn Thị Nhung bảo vệ thành công luận án Phó tiến sĩ chuyên ngành lý luận tại Nhạc viện Sofia với đề tài "Các dạng cấu trúc đoạn nhạc trong dân ca người Việt". [7] Sau khi về nước, bà đã biên tập nhiều tài liệu và giáo trình giảng dạy âm nhạc từ trình độ sơ cấp đến trung cấp và đại học.[9] Các giáo trình này đã được sử dụng trong chương trình giảng dạy ở Nhạc viện Hà Nội cũng như các cơ sở đào tạo âm nhạc khắp Việt Nam.[9] Trong thời kỳ này, bà đã sáng tác thơ giao hưởng "Khát vọng" năm 1986 cùng một số ca khúc cho thiếu nhi.[7] Năm 1988, nữ nhạc sĩ được Bộ giáo dục và Đào tạo Việt Nam mời làm Chủ tịch Hội đồng Giáo dục Âm nhạc để cùng các nhạc sĩ, cán bộ biên soạn chương trình và sách giáo khoa âm nhạc cho học sinh phổ thông và học sinh sư phạm trên toàn quốc.[10]

Ngoài công tác giảng dạy và nghiên cứu, bà còn làm công tác quản lý. Nguyễn Thị Nhung làm chủ nghiệm khoa Sáng tác - Lý luận - Chỉ huy tại nhạc viện Hà Nội từ năm 1981 đến 1984. Từ năm 1984 đến 1991, bà làm phó giám đốc Nhạc viện này.[10] Năm 1991, Nguyễn Thị Nhung được nhà nước Việt Nam phong tặng hàm Phó giáo sư.[8] Trong giai đoạn này, bà đã sáng tác một số ca khúc và tiểu phẩm có được sự thành công nhất định như "Ballade Huyền thoại mẹ" viết năm 1995 hay "Romance cho violin và piano" viết năm 1999. Nhiều ca khúc do nữ nhạc sĩ sáng tác thời kỳ này cũng được xuất bản, thu thanh và phát trên truyền hình. Năm 1994, Hội Nhạc sĩ Việt Nam đã xuất bản "Tuyển chọn ca khúc Nguyễn Thị Nhung" gồm 12 tác phẩm tiêu biểu của bà đi cùng băng cát-sét.[10] Bà còn viết phần nhạc cho phim hoạt hình "Chú gấu tham lam" và đoạt giải Nhất của một giải thưởng về hạng mục viết nhạc phim.[11]

Bên cạnh các tác phẩm âm nhạc, Nguyễn Thị Nhung còn hoàn thành nhiều công trình nghiên cứu âm nhạc. Sau công trình để bảo vệ luận án Phó tiến sĩ, bà còn có các công trình khác như "Nhạc khí gõ và trống để trong Chèo truyền thống" viết cho Bộ Văn hóa - thông tin.[11] Trong công trình này, bà đã đưa ra các nguyên tắc phối hợp các nhạc khí gõ trong các tình huống khác nhau, đặc biệt là phần giới thiệu kỹ thuật và khả năng diễn tả của trống đế trong nhạc Chèo. Công trình đã được xuất bản năm 1998 và được giải thưởng Hội Nhạc sĩ Việt Nam cùng năm.[11] Năm 2000, Nguyễn Thị Nhung tham gia nhóm tác giả gồm 5 người biên soạn cuốn sách "Âm nhạc Việt Nam - tiến trình và thành tựu", là cuốn sách quan trọng, công trình khoa học lớn đầu tiên tổng kết, đánh giá toàn bộ quá trình hình thành và phát triển của nền âm nhạc Việt Nam trong cả thế kỷ 20.[12] Năm 2001, bà viết một cuốn sách độc lập có tên "Âm nhạc thính phòng - giao hưởng Việt Nam - sự hình thành và phát triển - tác phẩm và tác giả". Trong cuốn sách này, bà khái quát lịch sử hình thành và phát triển khí nhạc Việt Nam, cũng như phân tích lại các tác phẩm cụ thể từ tác phẩm nhỏ tới liên khúc giao hưởng.[12]

Bà nghỉ hưu năm 1993 nhưng vẫn tiếp tục viết nhiều giáo trình và sách giáo khoa cho Nhạc viện Hà Nội cũng như tham gia công tác giảng dạy tại đây.[13] Năm 2006, Nguyễn Thị Nhung còn tham gia nhóm tác giả 11 nhạc sĩ của công trình "Âm nhạc Việt Nam - tác giả - tác phẩm" và đảm nhận biên soạn tập I. [12]