Cette lanceuse de disque obtient sa première médaille d’or dans le stade d’Helsinki 1952. Elle devient à ce moment là, la toute première championne olympique soviétique ce qui génère chez elle une immense émotion. Pendant l’olympiade, elle se marie et termine seulement troisième des Jeux de Melbourne 1956.

Elle retrouve en revanche tout son panache à Rome 1960 pour une deuxième médaille d’or.

Après ses succès, Nina Ponomareva est devenue entraîneur en Ukraine, puis à Moscou. En 2013, son buste en bronze a été déposée au Temple de la renommée du CSKA, le club qu’elle entraîne.

À sa mort, elle a été enterrée au cimetière Khovansky à Moscou, mais ses cendres ont été transportées au cimetière commémoratif du ministère de la Défense de la Fédération de Russie. Elle est devenue la première athlète à y être enterrée.