Dès l'âge de quinze ans, Connie Nielsen fait ses premiers pas de comédienne aux côtés de sa mère dans des spectacles locaux. Excellant dans le chant et la danse, elle est également capable de parler plusieurs langues : l'anglais, l'allemand, le suédois, le danois, le français et l'italien.A 18 ans, elle quitte le Danemark pour voyager à travers le monde, vivant et travaillant entre Paris, Rome, Milan, New York et l'Afrique du Sud. En 1992, elle figure au générique d'une comédie italienne d'Enrico Oldoini, intitulée Vacanze di natale'91.Connie Nielsen part ensuite aux Etats-Unis où elle est engagée pour jouer aux côtés d'Eric Roberts et Rutger Hauer dans le téléfilm Voyage. Elle auditionne par la même occasion pour le rôle de Kate dans French Kiss, mais n'est pas retenue par le réalisateur Lawrence Kasdan. Ce dernier lui conseille tout de même de persévérer aux Etats-Unis.En 1997, elle participe à sa première grosse production, L'Associé du diable de Taylor Hackford. Dès 1998, elle alterne les genres, enchaînant un drame (Permanent midnight de David Veloz), une comédie (Rushmore de Wes Anderson) et un film de science-fiction (Soldier de Paul Anderson, resté inédit dans les salles françaises). En 2000, Connie Nielsen fait également partie de l'équipage en partance pour Mars dans Mission to Mars de Brian De Palma.C'est Gladiator (2000) de Ridley Scott qui la révèle véritablement au grand public. Elle incarne dans ce péplum Lucilla, la soeur de l'empereur Commode. En 2002, elle partage, avec Jean-Hugues Anglade, l'affiche de Dark summer, un thriller réalisé par Gregory Marquette. Habituée de ce genre cinématographique, elle se retrouve confrontée à Robin Williams, en employé d'un laboratoire photo, dans Photo obsession (2002), et prête main forte à Tommy Lee Jones dans la traque d'un dangereux tueur (Benicio Del Toro) dans Traqué (2003) de William Friedkin.
