Rođena je 1873. godine, kao prvo žensko dete Dimitrija Mite Petrovića i Mileve Petrović, koji su u Čačku radili kao učitelji. Sa sedam godina, Nadežda Petrović se preselila u Kraljevo, zbog očevog zdravstvenog stanja. U tom gradu je stekla osnovno obrazovanje, a zatim se, radi nastavka školovanja, seli u Beograd sa celom porodicom.
Pohađala je Višu žensku školu koja je u to vreme bila poznata po savremenim oblicima vaspitanja i stručnom znanju iz svih oblasti pedagoškog obrazovanja. Spremala se za zvanje učiteljice, ali je istovremeno išla i na časove slikarstva kod čuvenog slikara Đorđa Krstića. Kasnije je bila i prva učenica ženskog odeljenja u ateljeu slovačkog umetnika Kirila Kutlike.Takođe, razvila je interesovanje i za poeziju, a posebno je volela pesme Vojislava Ilića i Njegoša Petrovića.
Nakon diplomiranja na Višoj ženskoj školi i prvih samostalnih slikarskih radova, kao i položenog kvalifikacionog ispita, Nadežda dobija posao nastavnice crtanja u istoj, a potom i u Ženskoj učiteljskoj školi i Ženskoj gimnaziji u Beogradu.
Pod uticajem Đorđa Krstića, 1898. godine odlazi u Minhen, na dalje usavršavanje, a umetničke struje koje je tamo zatekla uticale su na njeno stvaralaštvo. Tamo je ostala pune četiri godine, tokom kojih je neprestano slikala bavarske predele, obilazila izložbe i naučila nemački, ruski i francuski jezik.
Po završetku studija u nemačkom gradu, Nadežda se vraća u Srbiju gde na javnu slikarsku scenu stupa 1900. godine izložbom u Velikoj školi. Tom prilikom, naišla je na brojne kritike, ali je one nisu obeshrabrile, već nastavlja da slika u maniru ekspresionizma.
Poznata je i po svom učešću u osnivanju organizacije „Kolo srpskih sestara“ i nošenju humanitarne pomoći u krajeve koji nisu bili oslobođeni od Turske. Potom je među prvima postala članica Narodne odbrane, patriotskog društva čiji je cilj bio pomaganje Srbima koji su se još nalazili pod turskom vlašću. Učestvovala je i u osnivanju Srpskog umetničkog udruženja, kao i Društva srpskih umetnika „Lada“.
Uporedo sa pripremama oko organizovanja Prve jugoslovenske umetničke izložbe, radi na osnivanju Prve jugoslovenske kolonije u Sićevu, koja sa svojim radom započinje 1905. godine. Za angažovanje oko velike jugoslovenske izložbe odlikovana je ordenom Svetog Save IV stepena.
Jedan period je boravila i u Parizu, zahvaljujući stipendiji koju joj je odobrilo Ministarstvo. Tamo je naslikala znatan broj dela, posećivala je muzeje, galerije i salone, učestvovala je u brojnim društvenim događajima, pa je tako prisustvovala i prijemu prilikom dolaska kralja Petra I na banketu „Pacifičkog novinarskog društva“.
Pri izbijanju Prvog balkanskog rata, prijavljuje se kao dobrovoljna bolničarka i prvo je radila na prostoru Kosova i Metohije, gde se zarazila tifusom zbog čega je boravila u Skoplju. Nakon tog odsustva, ponovo se pridružila srpskim vojnicima, dok je tokom Drugog balkanskog rata, bila angažovana kao bolničarka u Makedoniji, u Sanitetu za ratnu zonu. Zbog tih svojih doprinosa i pokazane požrtvovanosti u ratnom periodu, odlikovana je za hrabrost, a od Crvenog krsta za milosrđe.
Nakon rata, nastavlja sa poslovima u Odboru za organizaciju umetničkih poslova Srbije i jugoslovenstva čiji su ciljevi bili osnivanje velike umetničke škole, stvaranje umetničke industrije nacionalnog karaktera, unapređenje pozorišne dekorativne umetnosti, između ostalog.
Po izbijanju Prvog svetskog rata još jednom je pokazala odanost domovini. Naime, Nadežda je dobila poziv da se priključi komisiji Crvenog krsta u Švajcarskoj, ali ga odbija, kako bi se stavila na raspolaganje poljskoj bolnici Dunavske divizije. Do kraja svog života je radila kao bolničarka, negujući ranjenike, a obolevši ponovo od tifusa, umrla je 1915. godine.
Njeni posmrtni ostaci su preneti iz Valjeva u porodičnu grobnicu u Beogradu 1935. godine.
