El 10 de octubre de 1999, en la décima fecha del Torneo Apertura, hizo su debut en Primera Nicolás Burdisso. El rival fue Instituto, quien visitó la Bombonera y se fue derrotado por 2-0, gracias a un doblete de Martín Palermo.
El oriundo de Altos de Chipión, provincia de Córdoba, surgió de las divisiones inferiores y fue una de las alternativas que tuvo Carlos Bianchi durante la época en que Jorge Bermúdez y Walter Samuel eran dueños de la zaga central. Ante la partida de ambos, en 2001 Nico y el recién llegado Rolando Schiavi, se afianzaron en esos puestos casi de manera inamovible.
Con la camiseta xeneize jugó hasta el 2004, año en que supo ser capitán cuando Diego Cagna no estaba presente. Disputó un total de 185 partidos, entre amistosos y oficiales, anotando siete goles. Además, levantó siete trofeos: Aperturas 2000 y 2003, Copas Libertadores 2000, 2001 y 2003, y las Copas Intercontinentales de 2000 y 2003.
Tras su alejamiento del cuadro de la Ribera, se asentó en la Serie A de Italia, en donde se encuentra hace más de 12 años. Allí vistió los colores del Inter de Milán entre 2004 y 2009, de la Roma desde 2009 a 2013, y del Genoa a partir del 2014 hasta la actualidad.
Tuvo su paso por la Selección Argentina, con la cual jugó los mundiales de 2006 y 2010, y obtuvo la medalla de oro en Atenas 2004 y el Campeonato Sub-20 en 2001.
Si bien existieron rumores sobre un posible retorno en varios mercados de pases, no trascendieron ofertas concretas y el marcador central permaneció en el fútbol italiano.