Dopo aver giocato nel settore giovanile di due delle maggiori società del suo paese, tra la stagione 2008-2009 e 2009-2010 gioca in pianta stabile nella prima squadra dell'AB, con cui totalizza 37 presenze e 7 goal. Al termine della stagione 2009-2010 viene acquistato dal Bayer Leverkusen in cambio di 800000 €; con la squadra tedesca realizzerà 5 presenze nella fase a gironi di Europa League e 7 presenze nel girone di andata del campionato, senza mai andare in rete.
Nel gennaio 2012, visto il poco spazio trovato al Leverkusen, passa in prestito oneroso (30000 €) al Kaiserslautern. Dopo solo 5 presenze con il club tedesco, passa in prestito al Copenaghen, che successivamente lo riscatta[4] per 670000 €. Il 17 settembre 2013, in Champions League, segna il gol dell'1-0 contro la Juventus, anticipando Chiellini e superando con un tocco preciso Buffon. Il 18 settembre 2014, in una sfida valida per la fase a gironi dell'Europa League, realizza una doppietta contro l'HJK Helsinki (2-0).[5]
Il 17 giugno 2016 viene acquistato per 3,5 milioni di euro dal Feyenoord, con cui firma un contratto quinquennale e sceglie di indossare la maglia numero 9.[6]
Il 24 luglio 2021 firma un contratto biennale con i turchi del Kasımpaşa.[7]
Nazionale
Ha giocato per le nazionali giovanili danesi dall'Under-18 all'Under-21. Dal 2011 è nel giro della nazionale maggiore. Dalla stessa nazionale è stato convocato per i Mondiali 2018,[8] sbagliando il rigore decisivo nell'ottavo di finale perso ai rigori contro la Croazia.[9] A causa di questo errore dal dischetto è stato vittima di minacce di morte sui social in patria.[10][11]
^(EN) Nicolai Jørgensen signs five-year deal, su feyenoord.com, 17 giugno 2016. URL consultato il 29 marzo 2017 (archiviato dall'url originale il 10 maggio 2017).
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