Родилась в 1925 г. в г. Гатчина Ленинградской области в семье военнослужащего. Среднюю школу окончила в 1942 г. В школе училась сначала в Ленинграде, а потом, в эвакуации, — в Свердловской области.

В 1942 г. поступила в Свердловский государственный университет. В 1943 г. переехала в Москву, где продолжила обучение в Московском государственном университете на русском отделении филологического факультета (1942–1947гг.), обучение закончила в ЛГУ. В 1947 г. поступила на работу в Институт русского языка АН СССР в сектор современного русского языка на должность научно-технического сотрудника, где в 1949–1952 гг. прошла обучение в аспирантуре (научный руководитель — член-корреспондент АН СССР, профессор Е.С. Истрина). Тема кандидатской диссертации — «Синтаксическая характеристика слова в словаре» (защита состоялась в 1954 г.). С декабря 1952 г. работала в ЛО ИЯ АН СССР. В 1977 г. защитила докторскую диссертацию на тему «Лексическая и синтаксическая сочетаемость».

Участвовала в качестве составителя в работе по созданию «Словаря современного русского литературного языка» в 17-ти тт. (тт. 1, 8, 9, 15, 16, 17). С 1965 г. возглавляла Группу словарей новых слов Словарного отдела ИЛИ РАН. Разработала типологию словарей новых слов, отражающих развитие словарного состава русского языка в новейший период, руководила теоретической разработкой проблемы неологизмов. Редактор и один из авторов двух словарей-справочников «Новые слова и значения» (60-х, 70-х гг.), «Словаря новых слов русского языка середины 50-х – середины 80-х гг.», 9 выпусков «Новое в русской лексике. Словарные материалы» (за 1977, 1978, 1979, 1981, 1982, 1984, 1985, 1986, 1987 гг.). В изданиях при участии Н.З. Котеловой описано ок. 40 000 неологизмов.