Нина Ивановна Гаген-Торн родилась 2 декабря 1900 года в Санкт-Петербурге в семье выдающегося хирурга, обрусевшего шведа, барона, Ивана Эдуардовича Гаген-Торна. Семья каждое лето проводила в лоцманском селении Лебяжье, в двадцати верстах от Ораниенбаума, один год (1906) — в Куоккале, а с 1910 года — в Приморском Хуторе (ныне часть поселка Большая Ижора).
Училась в гимназии М. Н. Стоюниной, затем в гимназии княгини Оболенской. Осенью 1918 г. Нина Гаген-Торн поступила в Петроградский университет, на отделение общественных наук.
В университетские годы стала ученицей писателя Андрея Белого. Ученичество перешло в дружеские отношения, продолжавшиеся до самой смерти Белого. В университете же Гаген-Торн увлекалась этнографией.
Будучи студенткой, Гаген-Торн работает лектором Губполитпросвета. В 1927-1930 гг. училась в аспирантуре по фольклору НИИ сравнительной истории литературы и языков Запада и Востока (ИЛЯЗВ) у Д. К. Зеленина.
В 1930-1931 годах жила в Иркутске, куда Геолком направил её мужа. Нина Гаген-Торн работала в Обществе изучения производительных сил Восточной Сибири и секретарем научно-исследовательского съезда этого региона. В это время тяжело заболел и вскоре умер отец Нины Ивановны схвативший крупозное воспаление легких при пожаре в больнице. Нина Ивановна уехала в Ленинград, затем туда же вызвала детей. Семья распалась по взаимному согласию супругов.
В 1931-1932 годах Гаген-Торн преподает географию, русский и остяцкий языки в Институте народов Севера.
С ноября 1932 года она работала научным сотрудником Института по изучению народов СССР АН СССР, а после создания на его базе Института антропологии и этнографии (ИАЭ) СССР ей поручили работу в этнографической секции Института, в группе материального производства и назначили секретарем редакции справочника «Народы СССР».
Первый раз была арестована 17 октября 1936 года. По сценарию следствия, «будучи контрреволюционно настроенной». 25 мая 1937 г. осуждена Особым совещанием при НКВД СССР по статье 58-10/2 УК РСФСР к 5 годам лагерей, заключение отбывала на Колыме (СевВостЛаг, бухта Нагаева). После освобождения из лагеря в 1942 г. находилась в ссылке вс. Чаши Курганской области, где была в ссылке её мать. Работала в сельской библиотеке, преподавала историю, литературу и географию в Чашинском химико-технологическом техникуме молочной промышленности.
3 января 1946 г. она защитила в Институте этнографии АН СССР кандидатскую диссертацию на тему «Элементы одежды народностей Поволжья как материал для этногенеза», доработав сохранившуюся у её подруги рукопись подготовленной в 1936 г. диссертации.
30 декабря 1947 года арестована повторно и приговорена к 5 годам лагерей; отбывала заключение в Темниковских лагерях (Мордовия). После заключения сослана в Красноярский край.
Весной 1954 года после амнистии всем, имевшим срок не более пяти лет, возвращается из ссылки сначала в Москву к своей матери. Некоторое время работала в ФБОН, Музее им. А. С. Пушкина.
После официального ухода на пенсию в 1960 году были написаны и опубликованы статьи об обрядовых полотенцах, о деревянной утвари, рецензии на книги М. Велевой, Н. Н. Ершова, Т. А. Крюковой, Я. П. Прилипко и З. А. Широковой, заметки о В. К. Арсеньеве и Л. С. Берге, воспоминания об Александре Блоке, об Ольге Форш и Виталии Бианки.
Похоронена в Большой Ижоре Ленинградской области, рядом с могилой матери.