Empezó su carrera como actriz muy joven participando en películas como Clara y Elena, La soledad era esto y El florido pensil. También en sus comienzos, presentó programas infantiles tales como Aquatrix (1999) y El Submarino Azul (2000).

En 2002 consiguió su primer papel regular en la serie Javier ya no vive solo de Telecinco. También formó parte del reparto recurrente de las series Ana y los siete (2004) de Televisión Española, Al filo de la ley (2005) de Televisión española y Cambio de Clase (2006-2009) de Disney Channel. Además, también ha tenido participaciones episódicas en series de gran éxito nacional como Los hombres de Paco de Antena 3, Hospital Central y El comisario, ambas de Telecinco.

En el cine ha participado en diversas películas como Alatriste (2006), de Agustín Díaz Yanes o Las 13 rosas (2007), de Emilio Martínez Lázaro con la que consiguió una nominación en los Premios Goya y otra en la Unión de Actores.​

En 2009 se incorporó al reparto de la serie de Antena 3 90-60-90, diario secreto de una adolescente, donde interpretó a Luz. Ese mismo año también participó en la primera temporada de la serie La señora de Televisión Española. En 2010 se incorporó a la sexta temporada de la serie Amar en tiempos revueltos, de Televisión Española. En ella interpretó a Asunción Muñoz hasta al final de dicha serie que fue cancelada por su baja audiencia en la séptima temporada.4​ Sin embargo, Nadia siguió interpretando a Asunción Muñoz en Amar es para siempre, la continuación de Amar en tiempos revueltos que se emite en Antena 3 hasta su tercera temporada.​

En 2011 estrenó la serie de suspense de Telecinco Punta Escarlata, donde compartió reparto con Carles Francino y Antonio Hortelano.​ También ese año protagonizó la miniserie de Antena 3 Sofía, un biopic sobre la Reina Sofía de España. Nadia interpretó a una joven Sofía de Grecia junto a Jorge Suquet y Emma Suárez entre otros.7​ En 2013 participó en la miniserie de Telecinco Niños Robados, donde interpretó a Conchita, una joven a la que le arrebatan a su bebé recién nacido nada más dar a luz.​

Durante su participación en distintas series de televisión, Nadia también ha formado parte de diversos proyectos cinematográficos como Ali (2012) de Paco R. Baños, Musarañas (2014) de Juanfer Andrés y Esteban Roel, y Stop over in hell (2016) de Víctor Matellano.​

El año 2016 la vimos como personaje episódico en las series de Televisión Española El Ministerio del Tiempo y El Caso. Crónica de sucesos.​

En 2017 protagonizó la primera temporada de la serie de Netflix Las chicas del cable junto a Blanca Suárez, Maggie Civantos y Ana Fernández entre otras. En mayo de 2017 la plataforma anunció que la segunda temporada sería estrenada alrededor de diciembre de 2017 al mismo tiempo que comunicó la renovación por una tercera temporada que se estrenó en 2018. Actualmente la serie concluyó con su sexta entrega, con ella dio final a sus protagonistas.​

En 2021 estrenó en Netflix El tiempo que te doy, una serie conceptual de capítulos breves, que narra una relación sentimental, en la cual Nadia es protagonista y creadora de la serie. Los premios Feroz 2022 han nominado la obra a mejor serie dramática, y a mejor actriz principal (la propia Nadia de Santiago) y actor principal (Álvaro Cervantes).