Родилась 22 мая 1879 в Ялте. Урожденная Мириам Эдес Аделаида Левентон (Miriam Edez Adelaida Leventon). Третий ребенок в семье богатого фармацевта Якова Левентона и его жены Софьи Горовиц. После развода родителей несколько лет провела у родственников в России и Швейцарии. Рано обнаружила артистические способности: в семь лет хорошо играла на скрипке, декламировала, рисовала. В 1894 поступила в Одесское филармоническое училище. Вопреки воле отца и старшего брата в 1898 отправилась покорять Москву. Брала уроки в театральной студии К. Станиславского; была принята в труппу Московского художественного театра. Псевдоним Назимова позаимствовала у героини популярного в то время романа А. Яблоновского «Дети улицы». В 1899 вышла замуж за актера Сергея Аркадьевича Головина (1879—1941). Хотя фактически замужество продолжалось недолго, официально брак так никогда и не был расторгнут.

      Некоторое время Н. гастролировала по российской провинции. Благодаря замечательной внешности и несомненному таланту добилась признания у публики. Вместе с актером Павлом Николаевичем Орленевым (1869—1932) совершила ряд гастрольных поездок по Европе в 1903 и Америке в 1905. В Нью-Йорке, район Ист-Сайд, партнеры пытались создать русскоязычный театр, однако потерпели неудачу. П.Н.Орленев вернулся в Россию, а Н. осталась в Соединенных Штатах, которые стали ее второй родиной. По некоторым данным, в России у Н. остался ребенок, отцом которого являлся С.А.Головин или П.Н.Орленев.

      Н. дебютировала на бродвейской сцене в 1906. На протяжении десяти лет успешно исполняла роли в пьесах Г. Ибсена и А. Чехова. В 1916 начала работать в кино и быстро сделала головокружительную карьеру. За короткий срок снялась в ряде фильмов, имевших большой кассовый успех («War Brides», 1916; «Toys of Fate», 1918; «The Red Lantern», 1919; «Camille», 1921 и др.). Пользовалась покровительством всемогущего кинопродюсера Льюса Д. Селзника. В 1917 Н. получала ок. 13 тысяч долларов в неделю, в то время как Мери Пикфорд всего только 3 тысячи. В 1918 Н. даже собиралась организовать собственное кинопроизводство. Однако, ее проекты («A Doll’s House», 1922; «Salome», 1923) принесли крупные убытки. К 1925 Н. стала испытывать материальные трудности и вернулась на театральную сцену. В 1927 приняла американское гражданство. В 1930—1940-ые изредка появлялась на киноэкране в качестве приглашенной звезды. Среди наиболее известных ролей этого периода – сеньора Августа Гальярдо в фильме Тайрона Пауера «Blood and Sand» (1941).

      Личная жизнь Н. оказалась весьма бурной и запутанной. Обладала бисексуальной направленностью полового влечения. Охотно протежировала молодым начинающим актерам и актрисам, с некоторыми вступала в близкие отношения. К числу фавориток Н. относились Петси Миллер (Patsy Ruth Miller, 1904—1995), Анна Мэй Вонг (Anna May Wong, 1905—1961) и др. С 1912 по 1925 Н. состояла в браке с киноактером Чарльзом Брайантом (Charles Bryant, 1879—1948), который не скрывал своей гомосексуальной ориентации.

      В 1921 Н. сыграла Маргариту Готье в фильме «Camille». Главную мужскую роль исполнил Р. Валентино, чья первая жена Д. Акер являлась любовницей Н. Для участия в съемках Н. также пригласила Н. Рамбову. По утверждению биографа Э. Лейдер, между Н., Р. Валентино и Н. Рамбовой образовался любовный треугольник, который завершился женитьбой Р. Валентино на Н. Рамбовой.

      Н. являлась одной из создательниц и активных участниц т.н. кружка кройки и шитья – избранного голливудского сообщества лесбиянок в 1920—1930-ые. В него входили актрисы Г. Гарбо, М. Дитрих, Т. Банкхед, К. Корнелл, Пепи Ледерер (Pepi Lederer, 1910 —1935), Петси Келли (Patsy Kelly, 1910—1981), Юдит Андерсон (Judith Anderson, 1897—1992), Лоретта Тейлор (Laurette Taylor, 1884—1946), Луиза Брукс (Mary Louise Brooks, 1906—1985), Пегги Фирс (Peggy Fears, 1903—1994), Беатрис Лилли (Bea Lillie, 1894—1989), дочери мультимиллионеров Анна Вандербильт, Мерион Морган и др.

      Желтая пресса с удовольствием смаковала подробности тайной жизни кинозвезд. Так, актриса Лилиан Ташман (Lilyan Tashman, 1896—1934) прямо в туалете пыталась соблазнить жену босса Голливуда Ирен Майер Селзник. Режиссер Дороти Арзнер (Dorothy Arzner, 1897—1979) демонстративно носила мужские пиджаки и короткую стрижку. Д. Кроуфорд (Joan Crawford, 1905—1977) однажды призналась: «Я думаю, что все мои режиссеры влюблялись в меня, но только Дороти Арзнер довела дело до конца!».

      В разные годы к числу партнерш Н. принадлежали М. Адамс, Д. Уайльд, Е. Ле Галльен, сценаристка Джун Матис (June Mathis, 1889—1927) и др. В 1916 близкой подругой Н. стала М. Акоста. В мемуарной книге «Here lies the Heart» она писала: «Бесси Марбери дала мне билет на дневной спектакль Аллы Назимовой „Военные невесты“ в Театре принцессы… Я видела фотографии Назимовой – она была красива и экзотична, но я хотела видеть и слышать воочию…