Hija del compositor Ernest Boulanger y su esposa Raissa (1856-1935), y nieta de la cantante Julie Boulanger y Marie-Julie Hallinger, Nadia nació en París el 16 de septiembre de 1887, en el seno de una familia con una larga tradición musical.
Nadia entró al conservatoria a temprana edad para formarse piano y composición, alcanzando por su talento y sus excelentes calificaciones la máxima distinción que podía recibir un músico: El Gran premio de Roma.
Fue docente desde sus primeros años hasta que falleció con 92 años en diversos espacios académicos, entre ellos trabajó en los consevartorios de Estados Unidos y el Reino Unido, incluyendo Juilliard School, Yehudi Menuhin School, Royal College of Music y Royal Academy of Music. Además de haber sido parte de instituciones de prestigio como las mencionadas, también sostuvo lo que a lo largo de toda su vida fue la base de su enseñanza, su propio apartamento en la calle 36 Rue de París.
Grandes músicos en la historia pasaron por sus clases, entre ellos el recordado Leonard Bernstein, Quincy Jones, Astor Piazzolla, Philip Glass. John Eliot Gardiner, Daniel Barenboim y Elliott Carter entre tantos otros.
Boulanger fue también mentora de Igor Stravinsky y una ferviente promotora de su música cuando la mayor parte del mundo musical dudaba de su genio
Ella ha logrado que cada músico que pase por sus clases descubra cuál es su marca distintiva, su talento oculto, además de proporcionales una rigurosa base académica de la música. Probablemente sea una de las más grandes pedagogas musicales occidentales del siglo XX.
Además de su destacada actividad docente, Nadia se convirtió en la primera mujer en dirigir muchas de las principales orquestas sinfónicas estadounidenses y europeas, entre ellas la BBC Symphony, la Boston Symphony, la Hallé Orchestra y la Filarmónica de Nueva York.
Como directora de orquesta, en la década del 30 fue una de las primeras en recuperar las obras de Claudio Monteverdi. También fue la primera mujer que dirigió un concierto para la Royal Philharmonic Society de Londres (1937), para la Orquesta Sinfónica de Boston (1938) y para la Orquesta Filarmónica de Nueva York (1939).
En 1921, llegó a ser profesora en el American Conservatory of Music, y desde 1950 ocupó el cargo de directora del conservatorio.