1951년 이시카와 현 가나자와 시에서 태어났으며, 호적상 본명은 하시코 마리코(橋岡まり子)이다. 세이케이 대학 법학부를 졸업하지만, 당시 몰아 닥친 석유 파동 때문에 영화관, 광고대리점 등 일정치 않은 직업을 전전하다 24세에 이른 결혼을 하였다. 하지만 전업 주부로 생활 하면서도 언제나 가슴에 품고 있던 소설 창작욕을 살려 1984년 로맨스 소설 『밤이 떠나간 자리』로 데뷔한다. 그 후 약 10년간 노바라 노에미, 기리노 나쓰코 등의 필명으로 로맨스 소설, 청소년 소설, 만화 시나리오 작가로 활동하였다.

그러던 중 1993년 『얼굴에 내리는 비』로 일본 추리 소설의 등용문인 제39회 에도가와 란포 상을 수상하며 본격적으로 미스터리 추리 소설 작가로 뛰어들었고, 일본에 없었던 새로운 여성 하드보일드를 구축했다는 평가와 함께 문단의 주목을 받았다. 추리소설 집필을 위해 그 동안 활동해 오던 로맨스, 코믹 장르의 집필을 중단하였다. 그리고 1995년 신주쿠 가부키초를 무대로 한 여성탐정 ‘무라야 미로’ 시리즈로 독자적인 세계관을 구축했으며, 여자 프로 레슬링을 소재로 한 『파이어볼 블루스(1995)』를 출판하여 이름을 알렸다.

마침내 1998년 발표한 『아웃』이 일본 추리 작가 협회상에 선정되며 일본 전역에 ‘기리노 나쓰오’ 열풍이 일었다. 당시까지만 해도 남성 작가들에 의해 주도되던 추리 미스터리 소설 분야에서 여성 작가의 입지는 매우 좁았다. 그러나 평범한 주부들이 잔혹한 범죄에 빠져드는 과정을 실감나게 묘사했다는 호평을 받은 『아웃』을 통해 일본에 새로운 여성 하드보일드를 구축했다는 평가를 받았다. 이 작품은 출판 7년째 되는 해인 2004년에 세계적인 추리상인 에드거 앨런 포 상 최고 소설 최종 후보에 일본인으로서는 처음으로 노미네이트되는 쾌거를 거두기도 하였다. 1993년 제39회 에도가와 란포상을 수상한 『얼굴에 흩날리는 비 顔に降りかかる雨』는 대도시에서 고독하게 살아가는 여성 탐정의 비정한 삶을 그린 소설로, 이후 작가는 무라노 미로 시리즈를 연달아 발표하게 된다. 무라노 미로 시리즈는 『천사에게 버림받은 밤 天使に見捨てられた夜』과 미로의 아버지 젠조의 젊은 시절을 그린 『물의 잠 재의 꿈 水の眠り灰の夢』, 단편집 『로즈가든 ロ-ズガ-デン』까지 이어진다.

무라노 미로 시리즈는 2002년 『다크ダ-ク』에서 큰 변화를 맞이하게 된다. 기존의 탐정소설의 패턴에서 벗어나 미로라는 한 사람의 여성이 시대와 호흡하는 이야기를 쓰겠다고 결심한 기리노 나쓰오는 『다크』에서 의붓아버지를 죽였다는 혐의로 한국으로 도망쳐온 미로, 그녀를 쫓는 게이와 시각장애인 여자, 그런 미로를 돌보는 광주항쟁의 상처가 드리워진 한국 남자들의 끔찍한 복수담을 통해 추락한 인간의 추악한 내면을 통렬하게 그려냈다.

기리노 나쓰오는 일본 주요문학상을 연달아 수상해 1999년 『부드러운 볼』로 제121회 나오키 상을 수상하였고, 2003년엔 『그로테스크』로 이즈미 교카 문학상을, 이어 2004년에는 『잔학기』로 제17회 시바타 렌자부로 상을 수상하였다. 2004년 『아웃』이 일본인으로서는 처음으로 에드거상 후보에 올라 전 세계에 이름을 알렸다. 2008년 『도쿄도』로 제44회 다니자키 준이치로상, 2011년 『무엇이 있다』로 제62회 요미우리 문학상을 수상했다. 2015년 문화예술 및 스포츠 방면의 인재에게 수여되는 자수포장을 받았다. 기리노 나쓰오의 작품은 영국, 프랑스, 이탈리아, 독일 등지에서 번역 출간되어 두터운 마니아층을 형성하고 있다.