Нина Аполлоновна родилась 27 апреля 1929 года в поселке Смычка Свердловской области в бараке гулаговского лагеря. В спорт она попала, став третьей в комсомольском кроссе Спартакиады Промкооперации.
В 1948 году девушка поступила в Ставропольский педагогический институт и начала серьезно заниматься легкой атлетикой. Изначально пробовала свои силы в беговых дисциплинах, позже переквалифицировалась в метательницу диска.
В 1952 году 23-летняя спортсменка отправилась на дебютные для команды СССР Олимпийские игры в Хельсинки и победила с олимпийским рекордом — 51 метр 42 сантиметра. На пьедестал вместе с ней поднялись еще две советские метательницы диска — Нина Думбадзе и Елизавета Багрянцева. Таким образом, золотая олимпийская медаль Нины Пономаревой стала первой в истории советского спорта.
Сразу после Олимпийских игр на соревнованиях в Одессе спортсменка установила мировой рекорд, метнув диск на 53 метра 61 сантиметр. На Олимпийских играх 1956 в Мельбурне Нина Аполлоновна была травмирована, но сумела завоевать бронзовую награду, а на следующих Играх 1960 года в Риме она вновь была лучшей с олимпийским рекордом — 55 метров 10 сантиметров.
После завершения спортивной карьеры перешла на тренерскую деятельность и воспитала целую плеяду талантливой молодежи.
Похороны первой советской олимпийской чемпионки пройдут в понедельник 22 августа на Хованском кладбище Москвы.