Nacida en Bristol de padres galeses, Nixon y sus seis hermanos se criaron en Ynysybwl cerca de Pontypridd, Gales,^[2]​ donde asistió a la Coedylan Comprehensive School, ahora conocida como Pontypridd High School.^[3]​^[4]​

Tras finalizar la secundaria, Nixon se formó en el Royal Welsh College of Music & Drama de Cardiff junto a Tom Cullen y Aneurin Barnard. Antes de graduarse en 2007, firmó con Universal Studios tras participar en una producción universitaria de La comedia de las equivocaciones.^[5]​^[6]​ Fue miembro del Teatro Nacional Juvenil de Gales.^[6]​

La carrera de Nixon comenzó en 2007, cuando interpretó a la huérfana Sophy Hutton en la serie dramática histórica de BBC One Cranford. En 2008, tuvo papeles secundarios en las películas Wild Child y Angus, Thongs and Perfect Snogging.

En septiembre de 2008, hizo su debut teatral como Griet en la adaptación de Girl with a Pearl Earring, en una gira y presentación en Londres.^[7]​

Nixon apareció en Easy Virtue, e interpretó uno de los papeles principales en Cherrybomb, junto a Rupert Grint y Robert Sheehan, antes de protagonizar Black Death. En 2011, Nixon interpretó a Josie en la comedia dramática televisiva Fresh Meat, de Channel 4, y protagonizó Resistance junto a Michael Sheen, Andrea Riseborough e Iwan Rheon, una adaptación de una novela de Owen Sheers, estrenada en el Reino Unido en noviembre de 2011.

Nixon apareció en la película musical Hunky Dory, ambientada en Swansea en 1976, la cual protagonizó junto con Minnie Driver, Aneurin Barnard y George MacKay, y que fue dirigida por Marc Evans.^[8]​ La película se estrenó en el 55º Festival de Cine de Londres el 25 de octubre de 2011, y se estrenó oficialmente el 2 de marzo de 2012 en Reino Unido.

Nixon protagonizó junto a Jaime Winstone y Aneurin Barnard Elfie Hopkins and the Gammons, una película de terror sobre una aspirante a detective adolescente que se topa con su primer caso real al investigar a la misteriosa nueva familia de su barrio, los Gammons. La película se estrenó el 20 de abril de 2012.

En 2012, Nixon protagonizó la película Offender, un thriller que trata sobre un hombre que decide vengar la agresión que recibió su novia.^[9]​ También protagonizó la serie dramática de ITV Kidnap and Ransom y la serie de comedia dramática de BBC Two Hebburn, junto a Chris Ramsey^[10]​ y Vic Reeves.^[11]​ La comedia está escrita por el monologuista Jason Cook y se basa en sus experiencias en el noreste de Inglaterra.^[12]​

En junio de 2013, Nixon protagonizó el episodio "Greenshaw's Folly" en la sexta temporada de Agatha Christie's Marple de ITV, junto con Matt Willis, Fiona Shaw, Julia Sawalha, Vic Reeves y Martin Compston.^[13]​

En 2014, protagonizó la nueva versión televisiva de BBC One del radiodrama de Dylan Thomas Under Milk Wood, interpretando el papel de Myfanwy Price.^[14]​

También protagonizó el único episodio de Playhouse Presents The Dog Thrower, junto con Matthew Perry y Tim Key, que se emitió el 1 de mayo de 2014 en Sky Arts.^[15]​

Nixon protagonizó el drama médico Critical, junto a Lennie James, Emma Fryer y Paul Bazely, que se estrenó en Sky 1 el 24 de febrero de 2015.^[16]​ También protagonizó el thriller Kingdom of Rain, junto a Julian Lewis Jones y Robert Kazinsky. Tuvo un papel principal en la tercera temporada de Outlander.

En 2022, Nixon apareció como Donna en el drama de BBC Life and Death in the Warehouse.^[17]​^[18]​^[19]​

En 2023, Nixon interpretó el papel de la Sra. Parkinson en la película dramática Consent de Channel 4.^[20]​

Nixon ha colaborado en múltiples ocasiones con Humanists UK.^[21]​ Ha hablado de padecer trastorno obsesivo-compulsivo, lo cual se agravó tras el nacimiento de su primer hijo en 2020, cuando finalmente se dio cuenta de que había tenido pensamientos intrusivos durante toda su vida.^[22]​^[23]​^[24]​

En junio de 2025, Nixon reveló que le habían diagnosticado autismo y TDAH, y describió el diagnóstico como un "enorme peso" que se había quitado de encima.^[25]​

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