Nixon nació en Nueva York, Estados Unidos. Sus padres son Anne Elizabeth Knoll, una actriz originaria de Chicago, Illinois,^[7]​ y Walter E. Nixon, un periodista de radio de Texas.^[8]​ Ella atribuye a su madre el mérito de haberla "adoctrinado" en el teatro. Es de ascendencia inglesa y alemana.^[9]​^[10]​ Sus abuelos fueron Adolph Knoll, Etta Elizabeth Williams, Walter E. Nixon y Grace Truman McCormack.^[11]​^[12]​^[13]​ Los padres de Nixon se divorciaron cuando ella tenía seis años.^[14]​ Según Nixon, su padre era a menudo desempleado y su madre era el principal sostén de la familia.^[14]​

Se graduó de la Hunter College donde estaba en un grupo de teatro y a menudo se tomaba tiempo fuera de la escuela para actuar en películas;^[15]​ y también asistió a la Barnard College donde se graduó en Literatura Inglesa.^[16]​ En la primavera de 1986, estudió en el extranjero gracias a una beca de Semester at Sea.^[17]​

La primera aparición de Nixon en pantalla (a los 8 años) fue en To Tell the Truth, donde trabajaba su madre, haciéndose pasar por una campeona juvenil de equitación.^[18]​^[19]​^[20]​ A los doce años de edad en la comedia Faldas revoltosas. En 1980, hizo su debut en Broadway como Dinah Lord en una reposición de The Philadelphia Story.^[20]​ Alternando entre cine, televisión y teatro, hizo proyectos como la película de ABC de 1982 My Body, My Child, las películas El príncipe de la ciudad (1981) y I Am the Cheese (1983), y las producciones Off-Broadway de 1982 de Lydie Breeze de John Guare.

En 1984, mientras era estudiante de primer año en Barnard College, Nixon hizo historia teatral al aparecer simultáneamente en dos exitosas obras de Broadway dirigidas por Mike Nichols. Fueron The Real Thing, donde interpretó a la hija de Jeremy Irons y Christine Baranski; y Hurlyburly, donde interpretó a una joven que se encuentra con ejecutivos sórdidos de Hollywood.^[21]​ Posteriormente apareció en la película: Amadeus (1984).

Obtuvo su primer papel importante de reparto en una película como una adolescente inteligente que ayuda a su novio (Christopher Collet) a construir una bomba nuclear en The Manhattan Project (1986) de Marshall Brickman.^[22]​ Más tarde, Nixon interpretó a Julieta en una producción del Festival de Shakespeare de Nueva York de Romeo y Julieta (1988).^[23]​

Nixon sucedió a Marcia Gay Harden como Harper Pitt en Ángeles en América (1994) de Tony Kushner,^[24]​ recibió una nominación a los Tony por su actuación en Indiscreciones (Los padres terribles) (1996), su sexto espectáculo en Broadway,^[25]​ y, aunque originalmente perdió el papel ante otra actriz, finalmente asumió el papel de Lala Levy en la ganadora del Premio Tony, The Last Night of Ballyhoo (1997). Mientras en el cine, asumía papeles secundarios en películas como O.C. and Stiggs; Juguete mortal; A rienda suelta; La familia Addams 2: la tradición continúa; El informe Pelícano, Cuidado: ¡bebé suelto!, bajo la dirección de John Hughes, Marvin's Room o Perdidos en Nueva York.

En televisión, Nixon tuvo su primer papel profesional en un "Afterschool Special" de la ABC: Seven Wishes of a Rich Kid. Desde entonces ha intervenido en Private History of a Campaign That Failed, de Mark Twain, para la PBS; en Fifht of July, de Lanford Wilson; y en Women and Wallace (estas dos últimas para American Playhouse).

Nixon intervino en el telefilme Alma de Navidad. Ha protagonizado Face of a Stranger y The Love She Sought. Cuando Nixon y Sarah Jessica Parker tenían respectivamente, trece y catorce años de edad, interpretaron a las hijas de Vanessa Redgrave en My Body, My Child, sobre el derecho de una mujer a ejercer el aborto.

Fue una de las cuatro actrices protagonistas de la comedia de HBO Sex and the City (1998-2004), como la abogada Miranda Hobbes.^[26]​ Nixon recibió tres nominaciones al Premio Primetime Emmy a la Mejor Actriz de Reparto en una Serie de Comedia (2002, 2003, 2004), ganando el premio en 2004 por la última temporada del programa.^[27]​

Tuvo después su primer papel protagónico en un largometraje, interpretando a una artista de video que se enamora, a pesar de sus mejores esfuerzos por evitar el compromiso, de un actor bisexual que casualmente está saliendo con un hombre gay (su mejor amigo) en Advice from a Caterpillar (2000), así como protagonizó junto a Scott Bakula la película navideña para televisión Papa's Angels (2000). En 2002, también actuó en la comedia independiente Igby Goes Down, y su participación en la producción teatral de la obra de Clare Boothe Luce The Women fue capturada para la serie Stage on Screen de PBS.

Continuó con el papel de Eleanor Roosevelt en la serie de HBO Warm Springs (2005), que narraba la búsqueda de Franklin Delano Roosevelt de una cura milagrosa para la polio. Nixon recibió una nominación al Emmy como Mejor Actriz Principal en una Miniserie o Película por su actuación.^[27]​ En diciembre de 2005, apareció en la serie de televisión "House" de Fox Network, en el episodio "Deception (House)", interpretando a una paciente que sufre una convulsión. En 2006, apareció en el drama ganador del Premio Pulitzer Rabbit Hole de David Lindsay-Abaire en una producción del Manhattan Theatre Club,^[28]​ y ganó el Premio Tony a la Mejor Actriz en un Papel Protagónico.^[29]​

En 2008, volvió a su papel como Miranda Hobbes en el largometraje Sex and the City, dirigido por el productor ejecutivo de HBO Michael Patrick King y coprotagonizado por el elenco de la serie original.^[30]​ Ese mismo año, ganó un Emmy por su aparición como invitada en un episodio de Law & Order: Special Victims Unit, interpretando a una mujer que finge tener un trastorno de identidad disociativo.^[27]​ En 2009, Nixon ganó el Premio Grammy al Mejor Álbum Hablado junto con Beau Bridges y Blair Underwood por el álbum An Inconvenient Truth (Al Gore).^[31]​

Nixon apareció en un episodio de Law & Order: Criminal Intent (2010) basado en los problemas que rodearon al musical de Broadway Spider-Man: Turn Off the Dark. Su personaje es "Amanda Reese, la directora nerviosa y más grande que la vida detrás de una versión de Broadway plagada de problemas de Ícaro", inspirada vagamente en la directora de Spider-Man Julie Taymor.^[32]​

En 2012, Nixon interpretó a la profesora Vivian Bearing en el debut en Broadway de la obra ganadora del premio Pulitzer de Margaret Edson, Wit. Producida por el Manhattan Theatre Club, la obra se estrenó el 26 de enero de 2012 en el Teatro Samuel J. Friedman.^[33]​ Nixon recibió una nominación al premio Tony a la mejor actriz en una obra por su actuación.^[34]​ Nixon también protagonizó a Petranilla en la miniserie de televisión World Without End (2012) de Ken Follett, transmitida por ReelzChannel, junto a Ben Chaplin, Peter Firth, Charlotte Riley y Miranda Richardson.

En 2015, Nixon apareció en dos películas que se estrenaron en el Festival de Cine de Sundance: Stockholm, Pennsylvania y James White. Recibió elogios de la crítica por ambas actuaciones, especialmente por la última, que algunos consideraron "digna de un Oscar".^[35]​^[36]​ Al año siguiente, Nixon interpretó el papel principal de la poeta estadounidense solitaria Emily Dickinson en la película biográfica A Quiet Passion dirigida y escrita por Terence Davies.^[37]​

Nixon volvió a Broadway en la reposición de The Little Foxes, que se estrenó oficialmente el 19 de abril de 2017 en el Teatro Samuel J. Friedman. Alternó los papeles de Regina y Birdie con Laura Linney, y ganó su segundo premio Tony por su interpretación de Birdie.^[38]​

En enero de 2019, se anunció que Nixon protagonizará la próxima serie dramática de Netflix, Ratched (2020).^[39]​ Desde 2021 a 2025 regresó al papel de Miranda Hobbes en la serie secuela de Sex and the City And Just Like That... para HBO Max donde también se desempeña como productora ejecutiva. Desde 2022 asumió un papel principal de Ada Brook en otro programa de HBO Max The Gilded Age (2022-presente), protagonizado junto a Louisa Jacobson, Christine Baranski y Carrie Coon.^[40]​

Nixon es miembro de los Socialistas Democráticos de América. Nixon ha defendido durante mucho tiempo la educación pública. Es portavoz de la Alianza para la Educación de Calidad de Nueva York, una organización que defiende la equidad en la educación pública.^[3]​^[41]​^[42]​ Además, es defensora de causas a favor de la salud de la mujer.^[3]​ También, ha sido una defensora de los derechos LGBT en los Estados Unidos, particularmente el derecho al matrimonio entre personas del mismo sexo.^[3]​^[43]​ Conoció a su esposa en una manifestación por los derechos de los homosexuales en 2002 y anunció su compromiso en una manifestación por el matrimonio entre personas del mismo sexo en Nueva York en 2009.^[5]​ Recibió el premio Artista por la Igualdad de la Universidad de Yale en 2013^[44]​ y un Premio a la Visibilidad de la Campaña de Derechos Humanos en 2018.^[45]​

En 2023, Nixon firmó una carta abierta en la que expresaba "serias preocupaciones sobre el sesgo editorial" en los informes del New York Times sobre las personas transgénero. La carta describió la cobertura del periódico como una mezcla inquietantemente familiar de pseudociencia y lenguaje eufemístico y cargado de contenido, y planteó inquietudes sobre las prácticas de empleo del periódico con respecto a los colaboradores trans.^[46]​^[47]​^[48]​

El 19 de marzo de 2018 Nixon anunció su candidatura para gobernadora del Estado de Nueva York.^[49]​ Perdió en las primarias demócratas ante Andrew Cuomo el 13 de septiembre de 2018, con el 34% de los votos contra su 66%.^[50]​ Nixon fue nominada como candidata a gobernadora por el Partido de las Familias Trabajadoras,^[51]​ el Partido dio su apoyo a Cuomo después de que Nixon perdiera en las primarias demócratas.^[52]​^[53]​

Desde 1988 a 2003, Nixon estuvo en una relación sentimental con Danny Monzes, con el cual tuvo dos hijos.^[54]​^[55]​ En 2004, Nixon comenzó a salir con la activista educativa Christine Marinoni. Nixon y Marinoni se comprometieron en abril de 2009,^[56]​ y se casaron en la ciudad de Nueva York el 27 de mayo de 2012, con Nixon luciendo un vestido verde pálido hecho a medida por Carolina Herrera.^[54]​ Marinoni dio a luz a un hijo en 2011.^[57]​

Se identificó como bisexual en 2012,^[58]​ y como persona queer a partir de 2018.^[59]​ Antes de la legalización del matrimonio entre personas del mismo sexo en el estado de Washington (el estado natal de Marinoni), Nixon había adoptado una postura pública de apoyo al tema y había organizado un evento de recaudación de fondos en apoyo del Referéndum de Washington 74.^[60]​

Nixon ha recibido numerosos premios, entre ellos dos Premios Primetime Emmy, un Premio Grammy, dos Premios del Sindicato de Actores y dos Premios Tony. También ha recibido varias distinciones, como el Premio Muse, otorgado por la Asociación de Mujeres en Cine y Televisión de Nueva York en 2008, el Premio Vito Russo, otorgado por los Premios GLAAD Media en 2010, el Premio Artista por la Igualdad de la Universidad de Yale en 2013,^[62]​ y el Premio Conmemorativo Faith Hubley del Festival Internacional de Cine de Provincetown en 2016.^[63]​

• Cynthia Nixon en Internet Movie Database (en inglés).