Étudiante en philosophie à l’université d’État de Moscou, elle réalise de nombreuses performances artistiques parfois engagées politiquement avec son mari Piotr Verzilov et avec le groupe de punk-rock féministe russe Pussy Riot. En 2008, elle fait scandale pour avoir réalisé une performance dans un musée moscovite en organisant des relations sexuelles à plusieurs afin de protester contre l’élection de Dmitri Medvedev.
En mars 2012, elle est placée en détention provisoire pour « hooliganisme » suite à une « prière punk » dans la cathédrale du Christ-Sauveur de Moscou le 21 février 2012. Cette « prière punk », intitulée Marie mère de Dieu — chasse Poutine !, contient entre autres les paroles « Sainte Marie mère de Dieu, deviens féministe », « merde, merde, merde du Seigneur », « la Gay Pride est envoyée en Sibérie » et « chasse Poutine ». Elle est finalement condamnée à deux ans de camp de travail.
Fin septembre 2013, Nadezhda Tolokonnikova a annoncé le début d’une grève de la faim dans la colonie IK-14, en Mordovie, où elle purge actuellement sa peine. Certains médias russes ont publié sa lettre ouverte dénonçant les conditions de détention et de travail des femmes dans la colonie.