Nikolaj Coster-Waldau ist der Sohn von Hanne Søborg Coster und Jørgen Oscar Fritzer Waldau. Er wuchs mit seiner Mutter und zwei älteren Schwestern in Tybjerg südlich von Kopenhagen auf. Sein alkoholabhängiger Vater lebte meist getrennt von der Familie.
Seine Ausbildung zum Schauspieler absolvierte Coster-Waldau 1993 an der Statens Teaterskole. Im Jahr darauf wurde er in seinem Heimatland durch die Hauptrolle in dem Film Nightwatch – Nachtwache über Nacht zum Star. Der Thriller, der in Dänemark zu einem Überraschungserfolg avancierte, wurde 1997 in Hollywood von Ole Bornedal mit Ewan McGregor in der Hauptrolle erneut verfilmt. Anknüpfen an den Erfolg von Nightwatch – Nachtwache konnte Coster-Waldau mit Simon StahosVild spor und Jesper W. Nielsens Drama The Bouncer, für die er jeweils eine Nominierung für den renommierten dänischen Filmpreis Robert als bester Hauptdarsteller erhielt. Seit 1998 ist Coster-Waldau mit der grönländischen Künstlerin Nukâka Motzfeldt, Tochter des Politikers Josef Motzfeldt, verheiratet, mit der er zwei Töchter hat.
Einem internationalen Publikum wurde Coster-Waldau 2001 mit der Rolle des Master Sergeant Gary Ivan Gordon in Black Hawk Down, einer Verfilmung der Schlacht von Mogadischu während des US-amerikanischen Einsatzes in Somalia, bekannt. Er bemühte sich selbst darum, in den Vereinigten Staaten Fuß zu fassen, indem er in Kopenhagen ein Bewerbungsvideo drehte und dieses einschickte.[1] Seine erste Hauptrolle in einem englischsprachigen Film übernahm er 2005 für Henker. Bei dem Film Himmerland (2006), in dem er auch die Hauptrolle spielte, war er erstmals an der Produktion beteiligt. Eine weitere Hauptrolle hatte er 2008 in der kurzlebigen US-Serie New Amsterdam.
In der HBO-Fantasyserie Game of Thrones bekam Coster-Waldau die Rolle des Jaime Lannister.[2] Zu dieser Figur meinte er: „Was gibt es an Jaime nicht zu mögen? Als Schauspieler hätte ich mir keine bessere Rolle wünschen können.“[3]
2013 spielte Coster-Waldau neben Jessica Chastain die Hauptrolle in dem kanadischen Horrorfilm Mama. Im selben Jahr war er als Waffenexperte Sykes in dem Science-Fiction-Film Oblivion mit Tom Cruise, Morgan Freeman und Melissa Leo zu sehen. Beide Filme erreichten sowohl in den USA als auch in Deutschland die vorderen Plätze der Kinocharts.[4]