Nərgizin atası Ramazan Xəlilov Tbilisidə yaşayıb. O, avar knyazının oğlu olub.Jurnalistika təhsili var idi. 1930-cu ildə "Bakinski raboçi" (Bakı fəhləsi) qəzetinin müxbiri kimi Leninqradda akkreditə edilib və orada da Nərgizin gələcək anası ilə tanış olub. Onun anası Elvira Xəlilova Belorusiyada anadan olub. Cütlük 20 il birlikdə yaşayıb.

Nərgiz Xəlilova Rusiyanın Leninqrad şəhərində anadan olub.Böyük Vətən Müharibəsi bitdikdən sonra, Nərgiz anası ilə birlikdə atasının yaşadığı Bakıya gəldi və onlar bəstəkar Üzeyir Hacıbəyovun evində məskunlaşdılar. Nərgizin ata nənəsi Üzeyir Hacıbəyov və Müslüm Maqomayevin (onlar bacanaq idilər) həyat yoldaşlarının bacısı idi. Üzeyir Hacıbəyov və onun həyat yoldaşı Nərgiz Xəlilovanın ilk musiqi müəllimləri idi. Üzeyir Hacıbəyovu dəfn edəndə, orta məktəb şagirdi olan Nərgiz Xəlilova onu məzarı başında fəxri qarovul dəstəsində dayanmışdı. Bu kadr həttda "Üzeyir ömrü" filmində yer almışdır.

Nərgizin uşaqlığı qayğısız idi. Onu diqqət və isti münasibət əhatə etmişdi. Onun anası Elvira xanım isə ürək xəstəliyindən əzab çəkirdi idi. Həyat yoldaşı öləndən öləndən sonra Nərgizin atası dərin depressiyaya düşsə də, sonra yenidən evlənmək qərarına gəldi.

Gənc yaşlarında Nərgiz Xəlilova mühəndis Məlik Axundovla tanış oldu. Onun anası tibb elmləri doktoru, atası isə səhiyyə naziri idi. Onlar bir-birilərini sevirdilər və evlənmək qərarına gəldilər. 1959-cu ildə Nərgiz Ü. Hacıbəyov adına Azərbaycan Dövlət Konservatoriyasının nəzəriyyə bölməsini bitirdi və bir müddət özünün yeni həyat yoldaşı titulunu daşımalı oldu.

Bir neçə il sonra Nərgiz və Məlik ayrılmaq qərarına gəlirlər. Bunun bir neçə səbəbi vardı: xarakterlərin uyuşmazlığı, ortaq maraqların olmaması və həyat yoldaşının əsassız qısqanclıqları. Boşanandan sonra Nərgiz ata evinə qayıtdı.

O, təkcə gözəlliyi ilə deyil, həm də stili ilə diqqəti cəlb edirdi. Müslüm Maqomayev ona xaricdən dəbə uyğun geyimlər gətirirdi. Bakıda şalvarlı kostyumu ilk dəfə Nərgiz geyinmişdi.

Bir dəfə o, qardaşının ortağı Slavik Aqaranovla tanış olmuşdu. O varlı tat yəhudilərindən birinin oğlu və şəhərin "qızıl gəncliyi"nin lideri idi. O, Nərgizi dəlicəsinə sevirdi və onlar vətəndaş nikahında yaşayırdılar.

Daha sonra cütlük Moskvaya köçmək qərarına gəlirlər. Orada sevgilisi Slavik valyuta tacirləri qrupuna qoşulur. Əcnəbilərlə tanış olur, onların dillərini öyrənir, rublu sərfəli qiymətlə valyutaya çevirir, həmçinin Bakıya dəbli və tapılmayan malları gətirərək hədsiz baha qiymətə satırdı. Əvvəlcə o tək işləyirdi. Sonra dəstə şəklində işləməyə başladılar və valyutanı ilə qızıl alıb onu xaricə satırdılar.

Bir dəfə yerli orqanlar onları saxladılar. Bakıda onların mənzillərində olan hər şeyi müsadirə etdilər. Bakıda yerli orqanlar Nərgiz Xəlilovanın mənzilində axtarış zamanı Boris Pasternakın "Doktor Jivaqo", Anna Axmatovanın "Rekviyem", Aleksandr Soljenitsının "İlk dairədə", Vladimir Nabokovun xaricdə nəşr olunmuş üç kitabının tapmışdılar.

Nərgiz Xəlilovanı valyuta cinayətində ittiham etmiş və səkkiz il həbs cəzasına məhkum etmişdilər. O, ilk yarım ili Rusiyanın həbsxanasında və beş il Bakıdakı ümumi rejimli qadın kolonunda cəza çəkməli oldu. O, dəstə üzvlərinin sadəcə adını bilirdi, amma SSRİ hakimiyyəti onu onlarla əlaqədə günahlandırdılar.

Koloniyada olduğu zaman, KQB-nin müstəntiqi olan İsaak Qerşveld Nərgizi həbsxanaya düşməzdən əvvəl tanıyırmış və ona gizlicə aşiq idi. Nərgiz azadlığa çıxan gün o, Nərgizə ürəyini açıb və ona aşiq olduğunu qeyd etmişdi. Ona qədər Qerşveld evli idi və iki qızı vardı.

Nərgiz Qerşveldə ərə getməyə razılıq verir və onunla 16 il biryerdə yaşayır. Onlar nikaha girəndən sonra Qerşveld bir daha sistemdə işləmək hüququndan məhrum edilməklə tutduğu vəzifədən azad olundu.

Nərgiz Qerşveldlə ailə qurduqdan sonra Moskvaya yenidən köçdü. Qerşveld Moskvada tipoqrafiya açdı. Həbsdən çıxandan sonra onun keçmiş sevgilisi Slavik Aqaranov Nərgizə onun yanına qayıtması haqqında yalvarsa da, Nərgiz imtina etdi.

Nərgiz Xəlilova fəal işgüzar həyat yaşayırdı. O, həm də dünyəvi bir qadın olaraq Azərbaycan Milli İncəsənət Muzeyində çalışmış, xeyriyyə işləri görüb, Üzeyir Hacıbəyov fondunu zənginləşdirib, gənc musiqiçilərə və digər mədəniyyət xadimlərinə sərmayə qoyurdu. Nərgiz Xəlilova tez-tez baş rolları və Murad Yegizarovun oynadığı Rus Dram Teatrını ziyarət edir, təkcə Bakıda deyil, Moskvada müxtəlif sərgilərə və tədbirlərə qatılırdı.

1998-ci ildə Nərgiz Xəlilovanın atası vəfat etdi. O, Üzeyir Hacıbəylinin ev-muzeyi direktoru idi. Onun ölümündən sonra Nərgiz vəzifəni öz üzərinə götürdü. O, muzeyin yenidən qurulmasını planlaşdırırdı.

Nərgiz Xəlilova 150-yə yaxın Azərbaycanın mədəniyyət xadimilərinə aid məqalələrin və Ümumittifaq Teatr və Musiqi Ensiklopediyasının müəlliflərindən biri idi. O, estetik təbliğatla məşğul olur, tez-tez mətbuatda çıxış edir, cəmiyyətdə "Bilik" cəmiyyətində sənət mövzusunda mühazirələr oxuyurdu.

1990-cı illərin sonlarında Nərgiz özünü pis hiss etməyə başladı. Halsızlıq, tez yorulma onu əldən salırdı. Ona həkimlər səhv edərəjm ağciyərlərin soyuqlaması diaqnozunu qoymuşdu. Nərgizi güclü antibiotiklərlə müalicə etməyə başlasalar da, onun vəziyyəti getdikcə daha da pisləşməyə başladı. 1998-ci ildə onun qardaşı Rüfət öz arvadı ilə birlikdə Nərgizi Moskvaya apardı. Orada onu yoxlanmaq üçün Gertsen adına Onkologiya İnstitutuna yerləşdirdilər. İnstitutuda Nərgizə leykoz diaqnozunu qoydular.

Nərgiz vəfat edəndə onu sink tabutda Bakıya gətirdilər. Hava limanında çoxlu sayda tanış və tanış olmayan adamlar toplaşmışdı. Onlar Nərgizlə vidalaşmağa gəlmişdilər. Bakıda yerləşən rus qəbirstanlığında dəfn olmuşdur.

Nərgiz Xəlilovanın övladı olmayıb. O, Parisdə, Nyu-Yorkda, sonra isə vətəndaşlığını aldığı İsraildə olmuşdu.

1961-ci ildə Bakının baş arxitektoru Əliş Ləmbəranski onun şərəfinə Bakının Fəvvarələr meydanında "Nərgiz" kafesini ucaltmışdı. Onun şərəfinə həm də Parisdə restoran və Nyu-Yorkda iki mağaza adlandırılmışdı.

Şair Rəsul Həmzətov Nərgiz Xəlilovaya şeir həsr eləmişdi, roman, hekayə yazmışdı. 2008-ci ildə nəşr olunan Eduard Bağırovun "Sevgililər" romanında, 2019-cu ildə Regina Krasivskayanın "Bakı şəhərinin əfsanəsi — Nərgiz" kitabında Nərgiz Xəlilovanın həyatına da toxunulur.

Onun həyatından bəzi faktlar Moskva teatrının "Yarasa" (rus. Летучая мышь) tamaşasının əsasını təşkil etmişdi.