นิลวรรณ ปิ่นทอง เกิดมาในครอบครัวข้าราชการชั้นผู้น้อย มารดาเสียชีวิตตั้งแต่อายุ 3 ขวบ ผู้เลี้ยงดูให้การศึกษาคือบิดาคือ นายเวช ปิ่นทอง[2]และมารดาคือ นางกรุณา ปิ่นทอง

นิลวรรณจบชั้นมัธยม 6 จากโรงเรียนเบญจมราชาลัย และเข้าศึกษาต่อที่โรงเรียนเพชรบุรีวิทยาลงกรณ์ ได้วุฒิป.ป. จากนั้นเข้าศึกษาระดับอุดมศึกษาที่คณะอักษรศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยได้ (เป็นรุ่นที่ 4 ปี 2477) จบแล้วเป็นครู 1 ปี แล้วย้ายมารับราชการในกรมโฆษณาการอยู่ 9 ปี จึงลาออกมาทำงานด้านบรรณาธิการ เมื่อปี พ.ศ. 2491 เป็นบรรณาธิการนิตยสาร สตรีสาร และปี 2492 รับหน้าที่เป็นบรรณาธิการอีก 2 เล่มคือ ดรุณสาร สำหรับเยาวชน และ สัปดาห์สาร สำหรับเรื่องข่าวสาร นิตยสาร สตรีสาร ได้รับรางวัลพระเกี้ยวทองคำ จากจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ในฐานะนิตยสารส่งเสริมภาษาไทยดีเด่น เมื่อปี พ.ศ. 2530 จนดำเนินการถึงปี 2539 จึงได้ปิดตัวลงไป

นอกจากนั้นนิลวรรณ ยังเคยดำรงตำแหน่งนายกสมาคมภาษาและหนังสือแห่งประเทศไทย ในพระบรมราชูถัมภ์ เคยได้รับรางวัลแมกไซไซ สาขาบริการประชาชน จากมูลนิธิแมกไซไซ ประเทศฟิลิปปินส์ เมื่อปี 2505 และได้รับปริญญา อักษรศาสตร์ดุษฎีบัณฑิต (กิตติมศักดิ์) เมื่อปี 2517 ยังได้รับการโปรดเกล้าฯ รับพระราชทานเครื่องราชอิสริยาภรณ์ เปลี่ยนคำหน้านามเป็น "คุณ" (อันเป็นคำนำนามระดับชั้นเดียวกับสุภาพสตรีระดับ “คุณหญิง”[3] แต่ใช้สำหรับสตรีที่มิได้สมรส) ก่อนจะถึงแก่อนิจกรรมคุณนิลวรรณ ยังทำงานให้สมาคมสตรีอุดมศึกษา โดยก่อตั้งกลุ่มนักอ่านคัดเลือกหนังสือเพื่อพัฒนาตนขึ้น[4]

นิลวรรณถึงแก่กรรมด้วยอาการสงบเมื่อวันที่ 7 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2560 สิริอายุ 101 ปี[5]