Als Nielsen zehn Jahre alt war, zog ihre Familie in ein kleines Dorf namens Elling bei Frederikshavn. Mit 15 Jahren machte sie bei einemKabarett ihre ersten Schauspielerfahrungen. Sie hat eine Tanz- und Gesangsausbildung und spricht fließend Deutsch, Englisch, Schwedisch,Französisch und Italienisch. Mit 18 zog Nielsen nach Paris und lebte später noch in Rom, Mailand, Südafrika und New York City, um sich schließlich ein Haus in Italien zu kaufen. Zu dieser Zeit spielte sie auch bereits in mehreren Kinofilmen mit, ihr Durchbruch kam jedoch erst 1997 mit Im Auftrag des Teufels. Danach folgten große Rollen in Mission to Mars (2001)und Gladiator (2000) . Nielsen lebt mittlerweile mit ihrem Sohn in New York. Sie ist mit Lars Ulrich, dem gleichfalls ursprünglich dänischen Schlagzeuger der Heavy-Metal-Band Metallica, liiert. Am 21. Mai 2007 brachte Nielsen den ersten gemeinsamen Sohn in San Francisco zur Welt.
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