Николай родился 27 июля 1970 года в Дании, в городе Рудкобинге. После окончания школы он переехал в Копенгаген, где поступил в Национальную театральную школу.
На театральной сцене Костер-Вальдау дебютировал в роли Лаэрта в постановке знаменитой трагедии Шекспира «Гамлет» в Театре Бетти Нанс.
В кино актер впервые появился в 24 года. Николай сыграл в фильме Уле Борнедаля «Ночной сторож» (1994). В этом триллере Костер-Вальдау перевоплотился в студента Мартина, который решил немного подработать и нашел себе тихое место сторожа в морге. Как оказалось, в этот морг свозят трупы несчастных девушек, изуродованных маньяком, держащим в страхе весь город. Так Мартин оказывается в эпицентре мистических событий. Эта роль сделала Николая широко популярным в Дании и скандинавских странах. Начинающий актер стал получать приглашения сниматься в европейском кино и телепроектах. Одной из наиболее ярких работ молодого актера стала роль в фильме Шона Матиаса «Склонность», повествующем, о жизни гея в нацистском концлагере (1996). Лента получила приз молодежного жюри Каннского кинофестиваля.
Через несколько лет активных съемок в европейском кино датчанин начал сниматься в Америке. В 2001 году Николай сыграл в фильме Ридли Скотта «Черный ястреб», который был с восторгом принят критикой и зрителями. В этой ленте Николай исполнил роль сержанта Гэри Айвена Гордона. В том же году актер появился в звездной компании Кейт Уинслет, Джереми Нортэма, Дюгрея Скотта в военной мелодраме Майкла Эптеда «Энигма» (2001). В 2005-ом году именитый режиссер Ридли Скотт вновь пригласил датчанина в свою картину – на этот раз на роль деревенского шерифа в ленту «Царство небесное» с Орландо Блумом и Евой Грин в главных ролях. Картина имела успех, собрав в прокате больше 211 миллионов долларов (при бюджете в 130). В 2006 году актер появился в компании с Харрисоном Фордом в американском боевике «Огненная стена».
Оглушительная популярность пришла к Николаю в 2011-м году, когда Костер-Вальдау снялся в телесериале «Игра престолов» (с 2011 года) – американском драматическом проекте в жанре фэнтези, созданном по мотивам цикла романов «Песнь Льда и Огня» писателя Джорджа Мартина. Актер исполнил ведущую роль негодяя Джейме Ланнистера.
«Меня привлекает сложность, многосторонность моего персонажа. У него довольно сложные отношения с семьей, особенно с сестрой. Для меня играть персонажа, который не понравится зрителям с первого же эпизода, задача интересная», – признается актер.
Этот телепроект принес Николаю массу поклонников по всему миру. Свою популярность актер закрепил участием в норвежско-немецком блокбастере «Охотники за головами» (2011)
В 2013 году актер стал героем амбициозного голливудского боевика «Обливион» с Томом Крузом и Ольгой Куриленко в главных ролях. Фильм рассказывает о Земле после сражения с инопланетными захватчиками, когда горстка оставшихся в живых людей пытается покинуть агонизирующую планету. Фильм имел успех, собрав в прокате больше 285 миллионов долларов (при бюджете в 120).
Являясь настоящей голливудской кинозвездой, Николай продолжает получать приглашения в крупнобюджетные проекты на ведущие роли («Тысячу раз “спокойной ночи”» (2013), «Другая женщина» (2014), «Боги Египта» (2014).
Николай женат на гренландской актрисе, победительнице конкурса «Мисс Гренландия» Нукаке. В браке у актеров родились двое дочерей – Саффина и Филиппа.
