Nikolaj urodził się 27 lipca 1970 roku w Rudkøbing, w Danii. Aktorstwa nauczył się w Statens Teaterskole w Kopenhadze. Studiował tam od 1989 do 1993 roku. Zadebiutował na deskach Betty Nansen Theatre, wcielając się w rolę Laertesa w "Hamlecie". Jednak dopiero dzięki roli w filmie "
Nightwatch" w 1994 roku zyskał popularność w Danii.
Jak wielu europejskich aktorów, Nikolaj postanowił spróbować swoich sił w Stanach Zjednoczonych. Okazało się to dobrą decyzją. Jego amerykańska kariera zaczęła się w 2001 roku od roli w Oscarowej produkcji
Ridleya Scotta "
Helikopter w ogniu". W tym samym roku zagrał też w "
Enigmie"
Michaela Apteda u boku
Kate Winslet. W 2004 roku Nikolaj zaczął współpracę z
Richardem Loncraine’em przy filmie "
Wimbledon", wcielając się w rolę tenisisty. Rok później po raz kolejny zagrał w filmie Ridleya Scotta. W "
Królestwie Niebieskim" wystąpił obok takich aktorów jak
Orlando Bloom,
Liam Neeson czy
Eva Green. Loncraine i Coster-Waldau ponownie spotkali się w 2006 roku przy pracy nad filmem "
Firewall", gdzie aktor zagrał obok
Harrisona Forda. Po tych licznych sukcesach na wielkim ekranie Nikolaj zajął się grą w produkcjach telewizyjnych. Wystąpił w serialu "
Detektyw Amsterdam" i filmie "
Wirtualne sny" (2009). W 2011 roku zagrał również w hicie HBO "
Gra o tron" jako Jaime Lannister.