Родилась в усадьбе Цинандали. Ещё в ранней юности отличалась необыкновенной красотой, изысканностью манер и душевной добротой. Грибоедов, служивший в 1822 году в Тифлисе, часто посещал дом князя Чавчавадзе и давал его дочери уроки музыки. По возвращении из Персии в 1828 году он провёл несколько месяцев в Тифлисе. Снова посетив дом друга, он был поражён красотой выросшей Нины, сравнивал её с мадонной Мурильо. По воспоминаниям Н. Н. Муравьёва-Карсского, Грибоедов поначалу распускал слухи о своей влюблённости в Нину, чтобы позлить другого её поклонника — Сергея Ермолова, сына знаменитого генерала. 16 июня он решился признаться ей в любви, затем получил согласие отца. 22 августа (3 сентября) 1828 года влюблённые торжественно обвенчались в тифлисском соборе Сиони. Грибоедову было 33 года, Нине — всего лишь 15. Как утверждает предание, во время венчания жених, страдавший от лихорадки, уронил обручальное кольцо, что считалось дурным предзнаменованием.
Вскоре по служебной надобности Грибоедов был принуждён снова ехать в Персию; молодая жена сопровождала его в пути до Тебриза, уже будучи беременной и часто болея. Не желая подвергать Нину тяготам опасного путешествия и жизни на чужбине, Грибоедов в декабре 1828 года отправился в Тегеран в одиночестве, попрощавшись с женой и оставив ее в городе, где она прожила несколько месяцев. В одном из редких писем из Тегерана Грибоедов посоветовал ей возвращаться в Тифлис, так как его миссия в Персии затягивалась; при содействии отца ей удалось благополучно вернуться в Грузию. В начале 1829 года она узнала о разгроме русской миссии толпой фанатиков и убийстве мужа (что от нее пытались скрыть, опасаясь за её здоровье); это привело к преждевременным родам и смерти ребёнка.
Когда тело Грибоедова прибыло в Тифлис, вдова, выполняя волю покойного, распорядилась предать его земле близ церкви св. Давида (ныне там находится пантеон Мтацминда); это произошло 18 июня 1829 года. По её распоряжению над могилой Грибоедова был установлен надгробный памятник с надписью
Всю оставшуюся жизнь Нина Чавчавадзе-Грибоедова прожила попеременно в Цинандали и Тифлисе, продолжая носить траур по мужу и оплакивать его смерть. Она так и не вышла замуж во второй раз, отвергая все ухаживания (в частности, безответно влюблённого в нее на протяжении 30 лет поэта и генерала Григория Орбелиани). Её верность трагически погибшему мужу стала легендарной ещё при её жизни; имя Нины Чавчавадзе было окружено почётом и уважением тифлисцев, Нину называли Черной розой Тифлиса. В 1857 году она умерла во время разразившейся в Тифлисе эпидемии холеры.
В 1879 году поэт Яков Полонский посвятил её памяти стихотворение «Н. А. Грибоедова»: