Родился 29 сентября 1970 года в Копенгагене. Его отец был режиссером, а мать работала кинооператором. Также его двоюродный брат впоследствии стал известным датским певцом. Когда Николасу было восемь лет, вся семья переехала в Нью-Йорк, где и прошла некоторая часть его детства. Однако затем они вернулись в родной Копенгаген, но после получения среднего образования Рефн снова отправился в США и поступил в Академию драматических искусств, из которой был исключен незадолго до выпуска. Поэтому он получил профессиональное образование в родной Дании.
Первый полнометражный фильм «Дилер» Николас снял в 1996 году по собственному сценарию. Картина быстро стала культовой, получила множественные благосклонные отзывы критиков и принесла Рефну мировую известность. При этом изначально фильм был снят в виде короткометражной ленты для кабельного канала, а уже затем ему предложили создать полнометражную версию, которая и стала толчком к развитию дальнейшей карьеры режиссера. Следующая его работа – триллер «Истекающий кровью» - вышла в 1999 году и также получила признание критиков, несмотря на присущую режиссеру жесткость.
Сценарий к третьему своему фильму Николас уже изначально писал на английском языке, рассчитывая достичь еще большей международной популярности. Эта картина увидела свет в 2002 году и называлась «Страх «Икс», но не оправдала возложенные ожидания. После чего Рефн снял продолжения своей дебютной ленты «Дилер 2» и «Дилер 3», а в 2008 году закончил работу над биографической лентой «Бронсон», повествующей о судьбе одного из опаснейших британских преступников, главную роль в которой исполнил Том Харди. Картина в итоге была хорошо принята как критиками, так и зрителями и поспособствовала новому этапу развития творчества Рефна и присвоению ему статуса мастера авторского кино. Так что премьера очередной его работы – ленты «Вальгалла: Сага о викинге», которая закрепила уникальный режиссерский почерк Рефна, состоялась уже на Венецианском кинофестивале 2009 года.
Последней же на сегодняшний день картиной Николаса стала криминальная драма «Драйв», имевшая широкий успех и принесшая ему звание лучшего режиссера на Каннском кинофестивале 2011 года. После чего ему было доверено снять ремейк популярного фильма 70-х «Бегства Логана», а также ленту «Бог простит», выход которой ожидается в ближайшее время. Сам Николас Виндинг Рефн в настоящее время проживает в Копенгагене со своей женой–актрисой Лив Корфиксен и двумя детьми.