Родилась в деревне Александровка Красноярского края в крестьянской семье выходцев из Украины. В 13 лет из-за смерти родителей была вынуждена бросить школу, пойти работать в колхоз и заниматься домашним хозяйством, следить за скотиной. В 1951 году переехала в Асбест, где двадцать лет проработала маляром. Попробовать себя в качестве живописца решилась после выхода на пенсию, когда увидела в магазине фреску с изображением березовой рощи, написанную художником–слесарем. В творческом начинании Варфоломееву поддержал муж: смастерил мольберт, чтобы можно было писать, сидя на диване; доставал для нее краски, картон и бумагу; занимался оформлением работ в рамы и под стекло. После участия на выставках и конкурсах ей пришло письмо от первого в РСФСР музея самодеятельного народного творчества в Суздале с просьбой закупки нескольких работ. Позже такие письма приходили и из других музеев. Ее имя включено во Всемирную энциклопедию наивного искусства (World Encyclopedia of Naive Art, 1984), изданную в Югославии и переведенную на несколько языков.
Варфоломеева чаще изображала довоенную сельскую жизнь, события своего детства и молодости: посев и сбор урожая, вечерку в избе, танцы под гармошку у околицы, поездку в лес за дровами, пасущееся у водопоя стадо, сбор цветов на летнем лугу, сцены ревности и т.д. Нина Ивановна так говорила о своих работах: «Берегите и эксплуатируйте мои рисунки для потомства. Что я рисовала, возможно, не очень хорошо. Но зато правдиво рассказала людям о первых годах коллективизации... Это история и никто из молодых художников это не знает, а поэтому не нарисует. Берегите мои работы вечно, в будущем они бесценны будут!».