Родилась 29 января 1959 года в Дмитриевке (Тамбовская область). В 1983 году окончила актёрский факультет ГИТИСа. Начала карьеру в Театре на Таганке. В 1992 году перешла в Театр на Малой Бронной, где проработала шесть лет. Служила в МХАТе им. Горького, Театре Гоголя. Лауреат театральной премии «Золотая маска» (1998) за игру в спектакле «Пять вечеров».
Сниматься в кино начала с восьмидесятых, играя в эпизодических ролях. Знаковой ролью в карьере актрисы стала работа в фильме Андрея Звягинцева «Елена» (2011). Лента была хорошо принята зрителями и кинокритиками. Картина получила призы на Каннском фестивале и кинофестивале в Америке. В 2011 году фильм представили на Международном фестивале в Индии, где Надежда Маркина удостоилась награды за лучшую женскую роль.