С 1885 по 1891 Надежда учится в Петербургской консерватории, в классе профессора Н. А. Ирецкой. Уже участие в студенческом спектакле «Фиделио» Бетховена 9 февраля 1891 обратило внимание специалистов на молодую певицу, исполнившую партию Леоноры. Рецензенты отметили «хорошую школу и музыкальное понимание», «сильный и хорошо поставленный голос», при этом указывали на недостаток «в умении держаться на сцене».

Сценическая карьера Забелы началась в 1893 в Киеве, в оперном театре И. Я. Сетова. Она исполняет партии Недды в постановке «Паяцы» Леонкавалло, Елизаветы в постановке «Тангейзер» Вагнера, Микаэлы в постановке «Кармен» Бизе, Миньон в постановке «Миньон» Тома, Татьяны в постановке «Евгений Онегин» Чайковского, Гориславы в постановке «Руслан и Людмила» Глинки и Кризы в постановке «Нерон» Рубинштейна.

В 1895 Забела выступала в Петербурге, в Панаевском театре. На одной из репетиций оперы Хумпердинка «Гензель и Гретель» произошла встреча Надежды Ивановны с будущим мужем.

«Как подтвердит дальнейшая исполнительская деятельность певицы, все в ней рождалось музыкой, “музыкальным было само явление артистки”, – считали ее современники. Уже с первых работ Врубеля заметны его поиски средств выражения этой музыкальности Забелы, богатства и красоты ее души. <…> Все это дает основания предположить, что музыка, которая так интенсивно вторглась в жизнь художника, благодаря Забеле, побуждает его к преодолению “неподвижности” живописи, ее сиюминутности, обреченной на вечность, в то время когда мысль, чувство художника живут, обогащаются. Обогащаясь же, – меняются. Творчество Врубеля начинает развиваться по законам музыкальной драматургии. Как в сонате или симфонии – два ведущих образа: лирический – Забелы, трагический – Демона». (Барсова Л. Г. «Н. И. Забела-Врубель глазами современников»)

Римский-Корсаков впервые услышал певицу 30 декабря 1897 в партии Волховы в «Садко». Позже он писал артистке: «Конечно, вы тем самым сочинили Морскую Царевну, что создали в пении и на сцене ее образ, который так за вами навсегда и останется в моем воображении…». Вскоре Забелу-Врубель стали называть «корсаковской певицей». Она стала ведущей исполнительницей главных партий в операх Николая Римского-Корсакова – Ольги в «Псковитянке», Панночки в «Майской ночи», Снегурочки в «Снегурочке», Волховы в «Садко»; партии Веры («Боярыня Вера Шелога»), Марфы («Царская невеста»), Царевны-Лебеди («Сказка о царе Салтане») были написаны специально для нее.

После смерти полуторагодовалого сына Саввы в 1903 и последующего помешательства мужа в карьере певицы наступает застой. С 1904 по 1911 Забела-Врубель служит в Мариинском театре. М. Ф. Гнесин, слушавший ее на сцене Мариинского, писал: «Когда я однажды попал в театр на „Садко“ с ее участием, я не мог не огорчиться какой-то ее незаметностью в спектакле. Внешний облик ее, да и пение были для меня обаятельны по-прежнему, и все же это была по сравнению с прежним как бы нежная и несколько тусклая акварель, лишь только напоминающая картину, написанную масляными красками».

Н. И. Забела-Врубель скончалась 21 июня 1913 в возрасте 45 лет, на три года пережив мужа М. А. Врубеля.