Николай Костер-Валдау е роден на 27 юли 1970 год. в Рудкьобинг, Дания. Баща му е Фрицер Валдау, а майка му се казва Хане Сьоробг Костер, библиотекар. Актьорът има 2 по-големи сестри, а родителите му се развеждат, когато той е още дете. От 1989 до 1993-та учи актьорско майсторство в Копенхаген, а дебютът му на театрална сцена е в ролята на Лаерт от „Хамлет“. Той става популярен след участието си във филма „Nightwatch“. Това му печели не само сърцата на феновете, но и участия в множество кино и телевизионни европейски продукции.
Кариерата му в Холивуд започва през 2001 г. с участието му във филма „Black Hawk Down“ на режисьора Ридли Скот. През същата година играе в британския филм „Enigma“ на режисьора Майкъл Аптед, с участието на Кейт Уинслет и Дъгрей Скот. През 2004 г. участва във филма „Wimbledon“ и „My Name Is Modesty: A Modesty Blaise Adventure“. През 2005 г. той отново работи с Ридли Скот в „Kingdom of Heaven“, а през 2006 г. си партнира с Харисън Форд в „Firewall“. През 2008 г. изпълнява главна роля в сериала на Fox TV – „New Amsterdam“, но за съжаление сериалът не се излъчва дълго, от планираните 13 епизода излизат само осем. Подобна съдба сполетява и друг проект, в който Николай е заснет още през 2009 год., филма „Virtuality“, който остава само с един пилотен епизод.
Истинската слава и сърцата на публиката, обаче Николай Костер-Валдау успява да спечели с ролята си на Джайм Ланистър в култовата поредица на НВО „Игра на тронове“. Паралелно започва работа и над редица други проекти, като се изявява не само като актьор, но и като сценарист и продуцент.
От 1998 год. е женен за гренландската актриса Нукака, с която имат две деца. Семейството им живее в Дания.
