Nadia Magnenat-Thalmann a suivi la majorité de ses études à l'Université de Genève où elle a obtenu une licence en psychologie, en biologie ainsi qu'un diplôme en biochime . En 1975, elle s'est vu décerner un diplôme postgrade en mathématiques et en informatique à l'EPFL. Elle a terminé son doctorat en 1977, à la Faculté des sciences de l'Université de Genève, par un travail sur les méthodes de résolution de l'équation de Schrödinger.

Avec la bourse des jeunes chercheurs du Fonds national de la recherche scientifique, elle est ensuite partie au Canada, où elle a été nommée peu après professeure assistante à l'Université Laval. Elle a poursuivi sa carrière à l'Université de Montréal, où elle a été nommée successivement professeure agrégée (1982) et titulaire (1987). Elle a obtenu de nombreux prix artistiques pour ses travaux sur "Marylin Virtuelle", travaux qui ont été exposés au Musée d'art moderne à New York. Elle a été élue Femme de l'Année à Montréal par le Grand-Montréal en 1987.

De retour à Genève comme professeure ordinaire, elle a recréé MIRALab, un laboratoire interdisciplinaire de recherche en animations par ordinateur. Elle a publié plus de 300 articles dans des revues spécialisées, une cinquantaine de livres et produit de nombreux films et shows en temps réel. Elle dirige entre autre, comme éditrice-en-chef, le journal The Visual Computer et codirige le journal Visualization and Computer Animation. Elle est par ailleurs Présidente de la Computer Graphics Society. Elle a été élue à l'Académie suisse des sciences techniques en 1997.