وی تحصیلات ابتدایی و متوسطه را در مدارس دولتی زادگاهش گذراند و در سال ۱۳۵۸ در رشته مهندسی برق دانشگاه صنعتی شریف پذیرفته شد.
سلطانخواه به دلیل علاقه وافر به ریاضی پس ازگذشت ۵ ترم تحصیلی تغییر رشته داده و در سال ۱۳۶۵ با رتبه اول فارغ التحصیل شد و برای استفاده از بورس تحصیلی خارج از کشور انتخاب شد در این هنگام به دلیل همزمانی با جنگ تحمیلی وی ترجیح داد در کشور بماند و ادامه تحصیل دهد.
وی مدرک فوق‌لیسانس خود را در رشته ریاضی، در سال ۱۳۶۷ از دانشگاه صنعتی شریف کسب کرد و در سال ۱۳۷۳ به عنوان اولین فارغ التحصیل دکترای ریاضی در دانشکده ریاضی دانشگاه صنعتی شریف موفق به اخذ درجه دکتری شد.
همچنین در نخستین جشنواره ریاضیات دانشگاه تهران رساله سلطانخواه به عنوان رساله برتر شناخته شد.
وی در سال ۱۳۷۳ به عنوان استادیار در گروه ریاضی دانشگاه الزهراء مشغول به کار شد و در سال ۱۳۸۲ به مرتبه دانشیاری ارتقاء یافت.
سلطانخواه در دهه ۶۰ به تدریس در دبیرستان‌های دولتی و همچنین فعالیت در سازمان دانشجویان مسلمان دانشگاه صنعتی شریف و جهاد سازندگی دانشجویی مشغول بود.
عضویت در شورای انتشارات، عضویت در شورای پژوهشی، مدیریت گروه ریاضی به مدت چهار سال و همچنین مشاور رئیس دانشگاه در امور توسعه از جمله فعالیت‌های سلطانخواه در دانشگاه الزهراء بوده است.
وی در سال ۱۳۸۲ با رأی مردم تهران به عضویت دومین دوره شورای اسلامی شهر تهران انتخاب شد و طی این دوره چهارساله به عنوان عضو هیات رئیسه شورای اسلامی، عضو کمیسیون برنامه و بودجه شورای اسلامی و همچنین رئیس کمیته درآمدزدایی شورای اسلامی شهر تهران مشغول به فعالیت بود.
برخی از فعالیت‌های نسرین سلطانخواه:
- عضو هیئت امنای سازمان استعدادهای درخشان
- عضو شورای عالی تدوین برنامه پنجم سازندگی
- عضو هیئت مرکزی جذب وزارت علوم، تحقیقات و فناوری
- عضو شورای سازمان پژوهش و برنامه‌ریزی آموزشی وزارت آموزش و پرورش
- عضو سازمان بسیج اساتید
- عضو هیئت امنای دانشگاه الزهراء
- عضو هیئت ممیزه دانشگاه الزهراء
- عضو کمیسیون تخصصی هیات امنای دانشگاه الزهراء
- عضو کمیسیون تخصصی علوم پایه هیئت ممیزه دانشگاه الزهراء
- عضو کمیته داوری طرح‌های تحقیقاتی ملی دانشگاه صنعتی شریف و کمیته‌های علمی و اجرایی کنفرانس‌های متعدد بین المللی در زمینه تخصص خود.
مقالات علمی- تخصصی ارائه شده سلطانخواه در مجلات معتبر بین‌المللی و کنفرانس‌های داخلی و خارجی به ۳۶ مقاله می‌رسد.
وی همچنین استاد راهنمای ۲ عنوان پایان نامه در مقطع دکتری، ۱۷ عنوان پایان نامه در مقطع کارشناسی ارشد و مجری ۹ طرح تحقیقاتی و پژوهشی بوده است.
نسرین سلطانخواه در سال ۱۳۸۴ به عنوان مشاور رئیس جمهور و رئیس مرکز امور زنان و خانواده ریاست جمهوری منصوب و در سال ۱۳۸۷ ریاست موسسه آموزش و پژوهش مدیریت دولتی را عهده دار شد.
وی همچنین معاون علمی و فناوری محمود احمدی‌نژاد بوده است.
نسرین سلطانخواه همچنین معاون علمی و فناوری حسن روحانی و رئیس بنیاد ملی نخبگان می‌باشد.