Николас Виндинг Рефн родился 29 сентября 1970 года в Копенгагене, Дания, в семье датского кинорежиссёра и монтажёра Андерса Рефна и кинооператора Вибеке Виндинг. Брат Николаса — датский певец Каспер Виндинг. Часть детства Рефн с семьёй провёл в Нью-Йорке.
В 1981 году перебрался в США, где поступил в Американскую академию драматических искусств для обучения актёрскому мастерству, однако был исключён спустя год за то, что кинул стол в стену во время импровизации. Позже перебрался обратно в Копенгаген, где был принят в Национальную киношколу Дании, но решил бросить обучение за месяц до его начала. Первый полнометражный фильм Рефн снял в 1996 году, срежиссировав криминальный триллер «Дилер». После успеха картины, Рефн выступал режиссёром на съёмочных площадках ещё двух его продолжений.
В 2011 году на экраны мировых кинотеатров вышел триллер «Драйв» с Райаном Гослингом в главной роли. За режиссуру картины Николас Виндинг Рефн стал обладателем приза за лучшую режиссёрскую работу на 64-м Каннском кинофестивале. Аналитики отмечали, что председатель жюри Роберт Де Ниро мог отдать приз Рефну только из-за того, что лента напомнила ему скорсезовского «Таксиста», в котором Де Ниро исполнил главную роль. Фильм был благосклонно воспринят кинокритиками и получил множество кинопризов и наград.
Следующая работа Рефна — арт-хаусный триллер «Только Бог простит» (2013) — была гораздо менее тепло принята мировой кинопрессой, отмечавшей плоскость его персонажей и запредельную жестокость, проявляющуюся едва ли не в каждом кадре. Главную роль в картине, вошедшей в основную конкурсную программу 66-го Каннского кинофестиваля, снова исполнил Райан Гослинг.
В 2014 году вошёл в состав жюри 67-го Каннского кинофестиваля.
Режиссёрский стиль Рефна отличается яркими и контрастными визуальными образами, в многом сформированными дальтонизмом режиссёра: «Я не различаю полутона. Вот почему все мои фильмы очень контрастны, если бы это было что-то еще, я бы этого не увидел». Тягу к визуальному повествованию Рефн также объясняет тем, что до 13 лет он не умел читать из-за дислексии, и изображения были для него главным способом восприятия историй.
В июле 2023 года стало известно, что Рефн экранизирует серию детских детективных книг «Великолепная пятёрка» писательницы Энид Блайтон.
