Роль в фильме «Ночное дежурство» (дат. Nattevagten) сделало его имя популярным на родине, после чего он участвовал во множестве европейских кино- и телепроектах (в основном в скандинавских странах). В американской индустрии развлечений дебютировал в проектах телекомпании Fox: телесериале «Новый Амстердам» (2008), в котором сыграл бессмертного детектива Джона Амстердама и фильме 2009 года «Виртуальность», где исполнил роль капитана космического корабля Фрэнка Пайка. Последний фильм был изначально задуман как сериал, однако после выхода пилотного выпуска было принято решение выпустить полнометражную версию.
В 2001 году, сыграл роль мастер-сержанта Гэри Айвена Гордона, в фильме Ридли Скотта «Падение «Чёрного ястреба»», восторженно принятого критикой и завоевавшего множестве премий и наград в области кинематографа. В том же году, вместе с Кейт Уинслет, Дугреем Скоттом и Cаффрон Бёрроуз снимался в картине Майкла Эптида «Энигма».
Сотрудничество с Ридли Скоттом продолжилось в 2005 году, фильмом «Царство небесное» где Николай сыграл роль деревенского шерифа . В фильме также снимались Орландо Блум, Лиам Нисон и Ева Грин. А Ричард Лонкрейн, в «Уимблдоне» которого Костер-Вальдау снимался в 2004, в 2006 пригласил его на роль подручного главного антогониста в триллере «Огненная стена» (англ. Firewall), где Николай играл вместе с Харрисоном Фордом и Полом Беттани.
Помимо актерской карьеры, в Дании Костер-Вальдау известен также как сценарист, продюсер и режиссёр.
В августе 2009 было анонсировано участие актера в экранизации телекомпанией HBO эпической серии книг фэнтези: «Песни Льда и Пламени» Джорджа Мартина, где он сыграет роль сира Джейме Ланнистера. Телесериал Игра престолов вышел на экраны в 2011 году.
Фильмы на датском языке:
Фильмы и телесериалы на английском языке:
Также снимался: