Nicole Chevalier studierte an der Indiana University (USA) Musik und Gesang bei Virginia Zeani, außerdem Schauspiel und Literaturgeschichte. Von 1991 bis 1998 sang sie dort in Opernproduktionen, u.a. die Lauretta in »Gianni Schicchi«, 1. Nichte in »Peter Grimes« und die Rosalinde in »Die Fledermaus«. 1998 schloss sie ihr Studium mit Diplom ab und setzte ihr Gesangsstudium bei Trish McCaffrey an der Juilliard School in New York City fort. In dieser Zeit gastierte sie an der New York City Opera in der Titelpartie Carlisle Floyds Oper »Susannah«. Sie vervollständigte ihre Gesangsausbildung durch die Teilnahme an Meisterklassen bei Martina Arroyo, Joan Dornemann, Renata Scotto und Giorgio Tozzi und einem einjährigen Italienaufenthalt (2000/01) sowie auf dem La Piccola Scala Festival (Mailand) und beim International Opera Festival (Rom).
Ihr erstes Festengagement führte sie von 2003 bis 2007 an das Theater Freiburg, wo sie als Iphise in »Dardanus« (Regie: Thomas Krupa), Ilia in »Idomeneo«, die Gräfin in »Le nozze di Figaro«, Fiordiligi (Regie: Max Färberböck), Vierte Magd in »Elektra« (Regie: Calixto Bieto), Adina und Maria Stuarda (Regie: Johannes Schütz) zu hören war. 2007 gastierte sie mit dieser Rolle auch am Theater St. Gallen und Theater Heilbronn. In Freiburg begann auch ihre Auseinandersetzung mit moderner Musik. So arbeite sie u.a. mit André Richard (SWR/Experimentalstudio für elektronische Musik) und Jean-Baptiste Barrière (Ircam/Paris) als Clémence in Kaija Saariahos Oper »L’amour de loin«, sowie Lieder von »From the grammer of dreams« und von »Lohn« für Sopran und Elektronik.
Von 2007 bis 2009 gehörte die Sopranistin zum Ensemble des Staatstheaters Kassel, wo sie als Antonia und Giulietta in »Les Contes d’Hoffmann«, als Alice Ford, Donna Elvira in »Don Giovanni«, Iole in Händels Oratorium »Herkules«, Blanche in »Les Dialogues des Carmélites«, Angèle Didier in »Der Graf von Luxemburg« und wiederum als Lucia zu erleben war. Sie trat darüber hinaus als Konzertsängerin auf, u.a. bei den Bregenzer Festspielen 2007 mit den Wiener Symphonikern unter Kirill Petrenko und unter Gabriel Feltz mit den Freiburger Orchester. Ihre rege Konzerttätigkeit in den Bereichen Lied und Oratorium führten zu einer CD-Produktion von Verdis »Messa da Requiem«.
2006 gewann sie den 1. Preis als beste Klassik-Sängerin beim 24. Internationalen Zeltmusikfestival (ZMF) in Freiburg. Sie arbeitete mit den Dirigenten Howard Arman, Hans Michael Beuerle, Marco Boemi, Karen Kamensek, Stephan Kanyar, Imre Palló und Patrick Ringborg. 2010 gastierte sie mit Margarethe in Gounods Oper »Faust« am Staatstheater Kassel und gab im Anschluss daran in München ihr Konzertdebüt mit den Münchner Symphonikern. Seit der Spielzeit 2009/10 ist sie fest engagiert an der Staatsoper Hannover. Sie war zu hören als Micaëla in »Carmen«, 1. Dame in »Die Zauberflöte«, Marie in Donizettis »La fille du Régiment« und Lucia. In der Spielzeit 2011/12 feierte sie ihr Rollendebüt als Violetta in Benedikt von Peters Inszenierung »La traviata«, für dessen Interpretation die Sopranistin für den Theaterpreis DER FAUST 2012 nominiert und mehrfach in der »Opernwelt« genannt wurde. Ab der Spielzeit 2012/13 gehört die Sopranistin zum Ensemble der Komischen Oper in Berlin.