Se unió pronto a la banda de Rusty Bryant en el Carolyn Club, con quien estuvo entre 1956 y 1958 cantando por el medio oeste y Canadá, aunque cantó también con otras bandas que la solicitaban para sus actuaciones en los clubes locales.

En 1959, gracias a su mánager John Levy y la recomendación de George Shearing firmó con Capitol Records.

Un disco con su descubridor, Cannonball Adderley, la volvió a situar en lo más alto del jazz en 1962, sobre todo con el tema Save Your Love For Me.

Tras aparecer en televisión en varias ocasiones, la NBC le dio su propio programa, The Nancy Wilson Show, por el que ganó una premio Emmy por su temporada 1967-1968.

Ya sea arropada por grandes orquestaciones o arreglos sencillos, al cantar temas como Love Can Do Anything en Just For You-, siempre consigue tocar la sensibilidad del oyente.

En los noventa, fue una de las cantantes favoritas entre el mercado del público adulto aficionado a las baladas románticas.