Nacida y criada en Copenhague, Dinamarca, Nielsen reside actualmente en Nueva York.

Es conocida por el gran público merced a su papel protagonista como Princesa Lucilla junto a Russell Crowe en Gladiator, la multigalardonada película de Riddley Scott estrenada en 2001. Trabajos de este calibre han hecho que Hollywood se interese por esta joven actriz.

En The Hunted (La Presa) tuvo la posibilidad de trabajar con un gran equipo técnico y artístico encabezado por Tommy Lee Jones y Benicio del Toro, así con el presigioso director William Friedkin.

Entre los próximos proyectos de Nielsen, cabe señalar Basic, junto a John Travolta y Samuel L. Jackson, donde da vida a una investigadora militar de alto rango que intenta esclarecer un asesinato. Este thriller de acción dirigido por John McTiernan se estrenará en los Estados Unidos el 18 de Abril de 2003.

Nielsen acaba de completar el rodaje de The Great Raid, encabezando un reparto en el que también se encuentran Benjamin Bratt, Joseph Fiennes y James Franco, todos dirigidos por John Dahl. En esta película, Connie Nielsen interpreta a una enfermera americana convertida en líder de un movimiento guerrillero que intenta liberar a los prisioneros de guerra que los japoneses mantienen cautivos en una isla filipina al final de la Segunda Guerra Mundial.

Nielsen ha podido ser vista hace poco en el drama psicológico de Mark Romanek One Hour Photo. En ella, Nielsen se convierte en objeto del deseo del personaje que interpreta Robin Williams (un empleado de una tienda de fotografía).

También ha protagonizado el thriller de suspense Demonlover, dirigido por el aclamado director francés Olivier Assayas (Irma Vep), poniéndose en la piel de una espía industrial involucrada en una operación de adquisición de una gran corporación por parte de su mayor rival. Fue uno de los films más polémicos de la edición 2002 del Festival de Cannes, y contó además con la participación de Chloe Sevigny y Gina Gershon.

Entre otros créditos de Nielsen destacan la odisea espacial de Brian de Palma Misión a Marte, Pactar con el Diablo, protagonizada por Al Pacino y Keanu Reeves, Academia Rushmore, Doble Vida, con Ben Stiller como co-protagonista, The Innocents, junto a Jean-Hughes Angleade, Voyage, con Rutger Hauer y Eric Roberts y las producciones europeas Le Paradis Absolutment, Okavango y Colletii Bianchi.