Théâtre

Il fait ses débuts dans American Buffalo.

En 2014, il joue dans Un Barrage contre le Pacifique de Marguerite Duras, m.e.s Juliette de Charnacé.

Cinéma

C'est dans son club de boxe thaïlandaise qu'il est repéré pour la première fois par un directeur de casting en 1998. Il décroche son premier rôle dans Le Petit Voleur de Érick Zonca, film dans lequel il tient le rôle principal. Il participe ensuite aux films Beau travail la même année, et Trouble Every Day en 2001, tous deux sous la direction de la réalisatrice Claire Denis. Entre temps, on peut également le voir dans Ligne 208 et Du poil sous les roses.
Il enchaîne d'ailleurs avec Poids léger de Jean-Pierre Améris et À tout de suite de Benoît Jacquot.

En 2006, il interprète Andrea, dans l'adaptation cinématographique du roman éponyme de Lolita Pille, Hell, réalisé par Bruno Chiche auprès de Sara Forestier. La même année, l'acteur tourne également dans deux films aux registres totalement opposés, Avril, de Gérald Hustache-Mathieu et Le Grand Meaulnes, de Jean-Daniel Verhaeghe.Il collaboré avec André Téchiné en 2009 pour son film La Fille du RER, où il incarne l'un des rôles principaux.

En 2011, il joue dans Les Yeux de sa mère, La Fille du puisatier ainsi que Polisse de Maïwenn, qui lui permet d'être nommé au César du meilleur acteur dans un second rôle.

Télévision

Nicolas fait un petit crochet par la télévision, en interprétant le lieutenant de police Théo Wachevski dans la série Braquo d'Olivier Marchal en compagnie de Jean-Hugues Anglade, Karole Rocher et Joseph Malerba.