Figlio d'arte, suo padre è l'attore Christoffer Bro e sua madre è l'attrice Helle Hertz, cresce assieme ai suoi fratelli, gli attori Laura Bro e Anders Peter Bro. Dopo esserci laureato alla Scuola Nazionale di Teatro e Danza contemporanea della Danimarca, fa uno stage presso la compagnia del Royal Theatre e interpreta numerosi cortometraggi: Valgaften (1998) di Anders Thomas Jensen, Det sublime (1999) di Jonas Elmer e Siden sidst (2000) di Eskil Thylstrup. Successivamente, comincia la sua gavetta televisiva con qualche episodio di Taxa (1999), di Hotellet (2000) di Pia Bovin con Christian Dyekjær, di Skjulte spor (2001) e Langt fra Las Vegas (2001) di Jarl Friis-Mikkelsen, nonché il film tv Absolut Holberg (2000) di Christoffer Berdal, seguito dal serial Deroute (2008).

I film
Cinematograficamente, debutta nella commedia romantica Anja & Viktor (2001) di Charlotte Sachs Bostrup, seguita da Le mele di Adamo (2005) di Anders Thomas Jensen con Mads Mikkelsen, dove recita il ruolo di Gunnar, Allegro (2005), Fratellanza - Brotherhood (2009) e il film di Steven Spielberg War Horse (2011).

Il mestiere di aiuto regista
Nicolas Bro è anche aiuto regista. Ha infatti collaborato con Fabrice Benchaouche alla realizzazione del cortometraggio Tout l'univers (2004) e con Patrice Martineau per il telefilm Avocats & associés (2007). Inoltre, è stato anche direttore dalla fotografia di Offscreen (2006) di Christoffer Boe.

Vita privata
È sposato con Theresa Stougaard Petersen dal 1995.