Nicoletta Elmi nasce a Roma il 13 Febbraio del 1964, sotto il segno dell'Acquario.

Figlia di Mario Elmi, fratello della conduttrice televisiva Maria Giovanna, inizia il suo percorso artistico come modella bambina per alcune riviste specializzate nel settore. All'età di quattro anni, dopo una breve apparizione nel film di Roberto Malenotti "Le sorelle" (1969) , viene scritturata dalla società di produzione Mondial Te.Fi. per il "musicarello" "Il suo nome è Donna Rosa" (1969), diretto da Ettore M. Fizzarotti e interpretato da Al Bano Carrisi e Romina Power. La pellicola, forte della presenza del noto duetto, incassa più di un milione di Lire, portando la Titanus a distribuirne addirittura un seguito, "Mezzanotte d'amore" (1970), per il quale ritroviamo il cast originale al completo.

Dopo aver preso parte, seppur brevemente, al capolavoro di Luchino Visconti "Morte a Venezia" (1971) e alla farsa poliziesca di Steno Cose di Cosa Nostra (1971), e mentre entra nella storia della televisione per alcune serie di Caroselli atti a reclamizzare la macchina fotografica Polaroid (1969 -> 1973) e la carne in scatola Simmenthal (1971, 1972), Nicoletta viene scoperta da Mario Bava, maestro indiscusso del "thrilling" nostrano, il quale la scrittura per lo slasher d'avanguardia "Reazione a catena" (Ecologia del delitto) (1971), per il quale gira in coppia con il giovanissimo Renato Cestié, e per l'horror "Gli orrori del castello di Norimberga" (1972), film grazie ai quali il regista romano le permette di evidenziare quella particolare recitazione che diventerà caratteristica nei lavori a venire, come ad esempio nel thriller "Chi l'ha vista morire?" (1972), diretto dal veneto Aldo Lado, ove notiamo il cospicuo rafforzamento delle doti espressive della piccola attrice. Segue una breve parentesi nel genere western con Sotto a chi tocca! (1972), introvabile film di Gianfranco Parolini, nel grottesco con l'altrettanto raro "Io e lui" (1973) di Luciano Salce, e il definitivo ritorno all'horror con "Flesh for Frankenstein" (1973), primo lavoro "italiano" dell'irriverente Paul Morrissey, al tempo artista alla corte di Andy Warhol, nel quale Nicoletta interpreta l'ennesimo ruolo "muto", in questo caso accompagnata dal piccolo Marco Liofredi.

La conferma delle sue doti naturali giunge con gli ingiustamente sottovalutati "Le orme" (1974), diretto da Luigi Bazzoni, e "Il medaglione insanguinato (Perché?!)" (1975), di Massimo Dallamano, produzioni per le quali le vengono affidati ruoli di maggior rilievo, permettendole dimostrare, ancora una volta, un tangibile sviluppo delle abilità recitative. Il successo vero e proprio, a ogni modo, arriva con il film campione d'incassi "Profondo rosso" (1975), di Dario Argento, per il quale si ritrova "costretta" a tornare al ruolo sfuggevole assegnatole agli albori da Bava. In seguito, prende parte al film storico di Aldo Scavarda "La linea del fiume" (1976) e viene presa in considerazione da Ugo Liberatore per il thriller erotico "Nero veneziano" (1977), per il quale avrebbe dovuto nuovamente affiancare Renato Cestié. Il ruolo viene infine affidato, per motivi a oggi del tutto oscuri, alla sconosciuta Gloria Bozzola.

A ventun'anni, dopo aver tentato la carriera sportiva nella pallacanestro, fa il suo ritorno sugli schermi con la commedia rosa "Amarsi un po'..." (1984), per la regia di Carlo Vanzina, e con un film facente parte del cosiddetto "filone marino", ossia "Windsurf - Il vento nelle mani" (1984), di Claudio Risi, clamoroso flop commerciale ai botteghini seppur la presenza del francese Pierre Cosso, allora idolo delle teenager. L'anno venturo, Dario Argento, in questo caso in veste di produttore, la scrittura per la pellicola di Lamberto Bava "Dèmoni" (1985), per la quale vediamo un breve ritorno della Elmi alla morbosità e, addirittura, all'aspetto estetico che caratterizzava i personaggi affrontati da bambina. Sarà il suo ultimo film horror.

Durante la seconda metà degli anni '80, Nicoletta viene nuovamente scritturata dai Vanzina per recitare, assieme a un cast di giovanissimi attori, la ormai famosissima serie TV I ragazzi della 3 C (1987), ancora una volta per la regia di Claudio Risi, seguita da una seconda stagione, trasmessa nel 1988, e da una terza proposta nel 1989, alla quale la Elmi, nonostante l'eclatante successo di pubblico, rifiutò di partecipare.

Agli inizi degli anni '90, sia per una sua difficoltà nel frequentare l'ambiente dello spettacolo che per una tangibile mancanza di ruoli, Nicoletta Elmi si trasferisce a Milano e si specializza in logopedia, lavorando, inzialmente, sulla riabilitazione del linguaggio in persone affette da afasia. Riesce, in seguito, a entrare nel reparto di neuropsichiatria infantile di un’azienda ospedaliera del capoluogo lombardo.