Nurgül Yeşilçay ortaokul ve lise eğitimini İzmir'de tamamladı. 2001'de Eskişehir Anadolu Üniversitesi Tiyatro bölümünden mezun oldu. Bu sırada rol aldığı "İkinci Bahar" dizisindeki "Gülsüm" rolü ile tanındı. 2002 yılında Çağan Irmak'ın yönetmenliğini yaptığı "Asmalı Konak" dizisinde "Bahar Karadağ" rolünü canlandırarak büyük başarı ve ün kazandı. Yönetmen koltuğunda Atıf Yılmaz'ın oturduğu "Eğreti Gelin" filmindeki "Kostak Emine" rolü ile 12. Adana Altın Koza Film Festivali'nde En İyi Kadın Oyuncu ödülünü kazandı. Aynı sene Hande Ataizi ile "Melekler Adası" dizisinde rol aldı. Aynı dizide rol alan Cem Özer ile 26 Ekim 2004 tarihinde dünya evine girdi. 22 Mayıs 2005'te ise oğlu Osman Nejat'ı dünyaya getirdi. Yine 2004 senesinde 5 yönetmenin yönettiği "Anlat İstanbul" filminde "Saliha" karakterine hayat verdi. 2007 senesine ise "Ayten Öztürk" adına lezbiyen Türk kızını canlandırdığı Fatih Akın’ın "Yaşamın Kıyısında" filmi, 60. Cannes Film Festivali'nde Altın Palmiye için yarıştı ve En iyi Senaryo ödülünü kazandı. Barış Pirhasan’ın yönetmenliğini yaptığı "Adem’in Trenleri" (2007) adlı filmde eşi Cem Özer ile birlikte başrolde oynadı. 2011'in Şubat ayında Cem Özer ile ayrılan oyuncu, "Aşk ve Ceza", "Sensiz Olmaz", "Sultan", "Aşk Kırmızı", "Bebek İşi", "Gece", "Cinayet" gibi yapımlarda ve son olarak da "Paramparç"a adlı ünlü dizide oynadı. 2016 senesinde yönetmenliğini "Asmalı Konak" dizisinde başrolü paylaştığı Özcan Deniz’in üstlendiği "İkinci Şans" filminde yine başrolü Özcan Deniz ile paylaştı.