У 1969 році Капітейн отримала ступінь бакалавра («ліцензія») факультету наук у Парижі. Таким чином, вона була однією з останніх випускників цього підрозділу університету до його реорганізації після Паризьких заворушень 1968 року . У 1970 році Ніколь закінчила з відзнакою Університет П'єра і Марії Кюрі (галузь — астрономія). У тому ж році вона приєдналася до Паризької обсерваторії як помічник. Потім обіймала кілька посад, перш ніж стати астрономом, відповідальним за дослідження. У 1972 році Капітейн отримала докторський ступінь з астрономії в університеті П'єра і Марії Кюрі. У 1982 році вона написала дисертацію на габілітацію, надавши їй статус безпосереднього дослідника. У 1985 році Ніколь стала заступником директора департаменту фундаментальної астрономії Паризької обсерваторії, а у 1993 році — директором. Її наукова діяльність здійснювалася в основному в рамках Групи досліджень космічної геодезії (GRGS), а також у різних робочих групах Міжнародного астрономічного союзу. У 2002 році, як і раніше в Паризькій обсерваторії, вона стала астрономом у відділі SYRTE (Space Time Reference Systems). У 2013 році Капітейн вийшла на пенсію і стала почесним астрономом.