Nach einer erfolgreichen Karriere in der Wirtschaft entschied sich Nils Dörgeloh für eine Laufbahn als Schauspieler. Er besuchte die Schule für Schauspiel Hamburg und das renommierte William Esper Studio in New York, bevor er am Michael Tschechow Studio Berlin eine klassische Schauspielausbildung absolvierte. Parallel dazu nahm er Schauspielunterricht in Los Angeles.

Er spielte zunächst Theater und gab mit der Filmkomödie „Coming In“ (Regie: Marco Kreuzpaintner) sein Kinodebüt. Zudem war Dörgeloh in der Verfilmung von Benedict Wells’ Erfolgsroman „Becks letzter Sommer“ (Regie: Frieder Wittich) an der Seite von Christian Ulmen zu sehen.

Einem breiten Publikum wurde Dörgeloh mit seiner durchgehenden Rolle in der preisgekrönten Comedy-Serie „Jerks“ an der Seite von Christian Ulmen und Fahri Yardim bekannt. Für seine schauspielerische Leistung erhielt er den Quotenmeter-Fernsehpreis als „Bester Nebendarsteller“. Dramatische Rollen übernahm er in mehreren „Tatort“-Produktionen, darunter im vielbeachteten „Im toten Winkel“ (Regie: Philip Koch, über 10 Millionen Zuschauer).

In der SWR-Miniserie „Labaule & Erben“ (nach einer Idee von Harald Schmidt, Regie: Boris Kunz) spielte Dörgeloh eine durchgehende Rolle an der Seite von Uwe Ochsenknecht. In der VOX-Serie „Milk & Honey“ übernahm er eine Hauptrolle. Zuletzt stand er für Daniel Brühls Regiedebüt „Nebenan“ (Next Door) vor der Kamera, das im Wettbewerb der 71. Internationalen Filmfestspiele Berlin gezeigt wurde.