Nicole Sullivan, eigentlich ja Nicole Julianne Sullivan, wurde 1970 im New Yorker Stadtteil Manhattan geboren. Ihr Vater Edward C. Sullivan war ein Abgeordneter des New Yorker Stadtrats. Im Alter von sieben Jahren fing sie mit dem Tanzunterricht an und bekam schnell ihre ersten Rollen in Off-Broadway und Broadway-Produktionen. Sie war Teil des First All-Children's Theatre.
1982 zog die Familie von Nicole Sullivan dann nach Middleburgh, New York um. Nach ihrem Schulabschluss 1987 ging sie an die Northwestern University nach Chicago, um dort Theater zu studieren. Dort vertiefte sie sich in die Werke von Shakespeare, Pinter, Chekhov, Ibsen und die griechischen Tragödien. Gleichzeitig hatte sie zwei Jobs und schrieb kleine Stücke für ihre Studenten-Theatergruppe. Nach der Uni zog sie nach Los Angeles.
Ihr Karriere begann mit kleinen Gastrollen in Serien wie „Models Inc.“, „Party of Five“ oder „4x Herman“. 1995 schaffte Nicole Sullivan einen ersten kleinen Durchbruch, als sie den Zuschlag für eine Rolle in „Mad TV“ erhielt. Im Jahre 2000 hatte sie in gleich vier Serien regelmäßige Auftritte („Mad TV“, „Baby Blues“, „Captain Buzz Lightyear“ und „Talk to Me“). Außerdem hatte sie Gastauftritte in Family Guy, Suddenly Susan und Law & Order: Special Victims Unit.
2002 wurde sie schließlich als Holly Shumpert in King of Queens besetzt und somit einem größeren Publikum bekannt. Danach bekam sie Hauptrollen in Kim Possible und Rita Rocks und konnte weiterhin durch Gastauftritte in Scrubs und Cougar Town auf sich aufmerksam machen.
In Devious Maids und Black-ish übernahm Sullivan 2014 wiederkehrende Rollen.
Die Filmkarriere von Nicole Sullivan entwickelte sich quasi erst, nachdem sie so richtig bekannt durch ihre TV-Rollen wurde. Vor allem durch ihre Stimme, die Nicole Sullivan diversen Charakteren verleiht, wurde sie einem Kinopublikum bekannt.
Seit 2006 ist Sullivan mit Schauspieler Jason Packham verheiratet. Die gemeinsamen Söhne heißen Dashel Pierce und Beckett Edward.