Nadia Gray est née en Roumanie, de parents russes.
Très jeune, après des études secondaires en France, elle rentre à Bucarest pour suivre des cours d'art dramatique.
A 16 ans, elle devient princesse Cantacuzène par son mariage en 1946 avec Constantin Cantacuzène, pilote d'aviation civile puis as de la chasse pendant la guerre. À la fin des années 1940, alors que les Communistes prennent le pouvoir en Roumanie, son mari lui fait quitter la Roumanie sous prétexte de tournage puis la rejoint en avion. Il meurt en 19582. Elle acquiert la nationalité française en 1964. Elle tourne avec Fellini dans La Dolce Vita.
Elle s'installe définitivement en Amérique à la fin des années 1960 quand elle épouse Herbert Silverman, avocat new-yorkais, en secondes noces en 1967.
En 1976, elle décide d'arrêter sa carrière cinématographique pour se consacrer à la chanson dans des cabarets.
Nadia Gray meurt en 1994 à l'âge de 70 ans d'une crise cardiaque.