Apja, Nagy József uradalmi cseléd, később vármegyei tisztiszolga, távírdai munkás, majd állami szolgálatát elveszítve kocsis, végül raktáros volt, anyját Szabó Rozáliának hívták. Három húga született, de csak egyikük érte meg a felnőttkort.
Az ötödik elemi után szülei beíratták a kaposvári állami főgimnáziumba, ahol négy és fél osztályt végzett el, majd 1912 februárjától géplakatos mesterséget tanult, 1914. februárban kapta meg segédlevelét. 1914 nyarán kilépett addigi munkahelyéről, Friedrich Géza kaposvári lakatosműhelyéből, beiratkozott a felső kereskedelmi iskolába, egyidejűleg egy ügyvédi irodában adminisztratív állást vállalt. 1915. májusban behívták katonának, augusztusban az olasz frontra vitték, novemberben megsebesült, Ljubljanában, Ogulinban, majd Székesfehérvárott lábadozott. Felgyógyulása után 1916. júniusban az orosz frontra került, ahol júliusban fogságba esett. Szibériában, a Bajkál-tavon túli berezovkai hadifogolytáborban raboskodott. 1918. márciusi szabadulása után a Vörös Gárda soraiban részt vett a polgárháborúban, tagja volt az internacionalista hadifoglyok között megalakított Szibéria Külföldi Munkásainak Kommunista (Szociáldemokrata) Pártjának. 1920 februárjában belépett a bolsevik pártba, alacsony beosztású pártmunkás lett.
1921 márciusában hazatért, raktárosként helyezkedett el egy fogyasztási szövetkezetnél, majd magántisztviselőként dolgozott az Első Magyar Általános Biztosító Társaság kaposvári fiókjában. Munkája mellett részt vett a helyi szociáldemokrata pártszervezet munkájában, titkárnak is megválasztották, ám 1925. májusban radikalizmusa miatt kizárták a pártból. Kapcsolatba lépett az illegális kommunista mozgalommal, alapító tagja lett a mozgalom fedőpártjának, a Magyarországi Szocialista Munkáspártnak. Politikai tevékenysége miatt 1927. február 27-én letartóztatták, két hónap után szabadon bocsátották, de rendőri felügyelet alá helyezték, állását elvesztette. 1928 márciusában a Kommunisták Magyarországi Pártja vezetőinek hívására Bécsbe utazott, ahol agrártémájú írásai miatt megbízták a párt falusi osztályának vezetésével, ő lett a parasztság körében folytatott hazai pártszervezés felelőse. Két ízben illegálisan hazatért, a fővárosban a kommunista párt által kiadott Parasztok Lapját szerkesztette.
1930 elején a KMP II. kongresszusának küldötteként Moszkvába érkezett, a főváros melletti Aprelevkában megtartott tanácskozáson „jobboldali elhajlás” vádjával súlyos bírálatban részesítették. A kongresszus után nem tért vissza Magyarországra, másfél évtizedig Moszkvában élt családjával. A Kommunista Internacionálé Nemzetközi Agrárintézete Nyugat- és Közép-Európai Osztályának referenseként széles körű agrártudományi tevékenységet folytatott, több cikket, tanulmányt publikált magyar és orosz nyelven. 1936. januárban kizárták a KMP-ből, a következő hónapban állásából is elbocsátották, s csak szerződéses munkát kapott a Szovjetunió Központi Statisztikai Hivatalában. 1938. márciusban a Moszkvában megjelenő Új Hang című folyóirat szerkesztőbizottsági tagja és állandó cikkírója lett, 1939. februárban visszavették a pártba. A folyóirattól a moszkvai rádióhoz irányították, 1940 februárjától a magyar nyelvű adások szerkesztőjeként dolgozott. A Szovjetunió német megtámadása után a Vörös Hadseregben politikai tiszti kiképzést kapott. 1942. februártól a Tbilisziből sugárzott magyar nyelvű rádióadás főszerkesztője volt.
Grúziából visszarendelve 1943. augusztusban a moszkvai Kossuth Rádió főszerkesztője lett. Noha a KMP Külföldi Bizottsága megbízásából részt vett a párt agrárprogramjának kidolgozásában, nem volt tagja a párt legfelsőbb vezetésének.
1944. november 5-én Gerő Ernővel, Farkas Mihállyal és Révai Józseffel együtt érkezett Erdélyen keresztül a szovjet uralom alá került Szegedre, ahol november 7-én megalakították a Magyar Kommunista Párt Központi Vezetőségét. Részt vett az Ideiglenes Nemzetgyűlés Előkészítő Bizottsága munkájában, 1944. december 18-án az Ideiglenes Nemzetgyűlés képviselőjévé választották, parlamenti mandátumát 1955-ig megőrizte. Az Ideiglenes Nemzeti Kormány 1944. december 22-én Debrecenben megválasztott földművelésügyi minisztereként az általa még a Szovjetunióban kidolgozott program alapján ő hajtotta végre a földreformot. Az MKP 1945. májusi konferenciáján a párt legszűkebb vezető testülete, a Politikai Bizottság tagjává választották. Az 1945. évi nemzetgyűlési választások után 1945. novembertől 1946. márciusig az MKP delegáltjaként belügyminiszter volt Tildy Zoltán, majd Nagy Ferenc koalíciós kormányában. A pártvezetésben miniszteri tevékenységét „passzivitása” miatt több bírálat érte, s betegségére való hivatkozással visszahívták a kormányból, helyette az MKP viszonylag jelentéktelen Falusi Bizottsága vezetésével bízták meg, s az októberi kongresszusig kooptálták a KV Titkárságába. 1947. szeptemberben az Országgyűlés elnökévé választották, tisztét a következő törvényhozási ciklus kezdetéig töltötte be. A szociáldemokrata pártnak az MKP-ba történt beolvasztásával 19
48. júniusban létrehozott Magyar Dolgozók Pártjában továbbra is a KV és a PB tagja maradt.
1947 és 1949 között több kérdésben a pártvezetés hivatalos álláspontjától eltérő véleményt fogalmazott meg. Elsősorban a mezőgazdaság gyors és erőszakos kollektivizálását helytelenítette. Hosszabb távon számolt a kis- és középparaszti magántulajdon fennmaradásával, nem értett egyet a közép- és gazdagparasztságot (kulákság) sújtó adminisztratív intézkedésekkel. A véleménykülönbségek a kommunista párt teljes hatalomátvételének időszakában éleződtek ki, amiért 1948. októberben elmozdították a Falusi Bizottságból alakított Agrárpolitikai Bizottság éléről. Agrárpolitikai nézeteit hosszabb vitairatban összegezte, amelyet 1949 szeptemberében a PB ülésén igyekezett megvédeni. Bár a vitában önkritikát gyakorolt, PB-tagságát elvesztette.
Még 1948. szeptemberben a Magyar Közgazdaságtudományi Egyetem nyilvános rendes tanárává és az agrárpolitikai tanszék vezetőjévé nevezték ki, 1949-től a Magyar Agrártudományi Egyetemen is tanított. 1950. decemberben a Magyar Tudományos Akadémia levelező tagjává választották, 1953. májusban a testület rendes tagja lett. Szűk egyéves „száműzetés” után, 1950-ben visszakerült a pártapparátusba, 1950. júniustól 1952. júliusig az MDP KV Adminisztratív Osztályát vezette. 1950. decembertől ismét a kormány tagja lett: élelmezési, 1952. januártól begyűjtési miniszter volt. Az MDP II. kongresszusán (1951. február 25–március 1.) újra beválasztották a PB-be és a Titkárság tagjai közé (utóbbiban tisztsége 1953. júniusban megszűnt), 1952. november 14-től miniszterelnök-helyettesként a mezőgazdasági tárcákat felügyelte.
Sztálin halála után a szatellit országokban is enyhítéseket szorgalmazó szovjet pártvezetés a Rákosi Mátyás vezetésével a név szerint meghívott párt- és állami küldöttség tagjaként 1953. június 13-ára Moszkvába rendelte, mert őt szemelte ki a sztálini rendszer korrekciójának magyarországi végrehajtására. A háromnapos tanácskozáson a megbírált
Rákosit arra utasították, hogy a miniszterelnöki funkcióról mondjon le, és adja át neki. 1953. július 4-én az Országgyűlés a Minisztertanács elnökévé választotta. Az ugyanaznap meghirdetett kormányprogramban ígéretet tett az erőltetett iparosítási ütem lassítására, az életszínvonal emelésére, a könnyűipar és az élelmiszeripar fejlesztésére, a kuláklista eltörlésére, az egyéni gazdák terheinek csökkentésére, a termelőszövetkezetek feloszlatásának engedélyezésére, valamint a törvényesség helyreállítására (az internálás, a rendőrbíráskodás és a kitelepítés megszüntetése, a munkásokkal szemben alkalmazott pénzbüntetések eltörlése, az adminisztratív módszerek, túlkapások mellőzése, részleges közkegyelem). 1954-ben átfogó gazdasági és politikai reformprogramot próbált kidolgozni, bátorította a párton belüli bírálatot, oldotta a sajtó megkötöttségeit, megkísérelte lazítani a pártállami politikai szerkezetet. Politikai bázisa növelése érdekében Hazafias Népfront néven újjászervezte a Magyar Függetlenségi Népfrontot, ő maga alelnöki posztot töltött be a szervezet országos tanácsában.
Programja végrehajtása során rendszeresen összeütközésbe került a sztálinisták Rákosi Mátyás vezette táborával. Az 1954. október 20-i KV-ülésen még sikerült felülkerekednie, az elfogadott határozat ismételten elítélte az 1953 előtti gazdaságpolitikát és a korábbi politika híveinek visszahúzó tevékenységét. Mindeközben Rákosi többhetes moszkvai látogatásain mindent megtett, hogy visszaszerezze befolyását, majd kihasználva a szovjet politika fordulatát, az MDP PB december 15-i ülésén elérte, hogy határozatot hozzanak a „jobboldali veszélyről”, ami az 1953. júliusi kormányprogram végét jelentette. Nagy Imre 1955. január 8- án Moszkvában a szovjet pártvezetők előtt megtagadta az önkritikát, és ehhez a PB többszöri felszólítása ellenére következetesen tartotta magát. A KV március 2–4-i ülése elvetette az 1953 óta követett irányvonalat, a határozat újra az iparosítást állította középpontba. 1955. április 14-én pártellenes tevékenység és frakciózás vádjával – távollétében – kizárták a PB-ből és a KV-ból, 18-án leváltották a miniszterelnöki tisztségéből. (Erről már 1955. március 28-án írásban lemondott, de levelére nem kapott választ.) 1955. májusban MTA-tagságától is megfosztották. Mivel ezután sem volt hajlandó bolsevik szokás szerint önkritikát gyakorolni, sőt létrejött körülötte egy kommunista értelmiségiekből, az 1953. júliusi program támogatóiból álló ellenzéki csoport, 1955. december 3-án kizárták az MDP-ből. Ekkor írott és barátainak megmutatott politikai tanulmányaiban élesen bírálta a sztálinizmust, támogatta az ország nemzeti függetlenségét és katonai tömbökön kívüli státusát. Rákosi 1956. júliusi leváltása után ellenzéki nyomásra október 13-án úgy vették vissza a pártba, hogy nem gyakorolt önkritikát, október 20-án akadémiai tagságát is helyreállították.
Október 23-án, a forradalom kitörésekor a Budapesten tüntető tömeg egyebek mellett az ő kormányfői kinevezését is követelte. A KV
aznap éjszaka megtartott ülésén kooptálták a testületbe, és beválasztották a PB-be. A pártvezetés kérésére elvállalta a miniszterelnöki posztot. Kezdetben értetlenül, passzívan állt az események előtt, elítélte a felkelőket, elrendelte a statáriumot, de megtagadta a szovjet csapatok behívásának utólagos jóváhagyását. Október 28–31-én az MDP hattagú elnökségének, a párt feloszlatása után az új kommunista párt, a Magyar Szocialista Munkáspárt Intéző Bizottságának tagja volt. 1956. október 28-án a kibontakozás érdekében tűzszünetet és amnesztiát hirdetett, az eseményeket nemzeti demokratikus mozgalomnak nyilvánította, fellépett a szovjet csapatok távozásáért. Október 30-án bejelentette a többpártrendszerhez való visszatérést, és november 3-án 1945-ös mintára új koalíciós kormányt alakított. Mivel a megígért kivonulás helyett újabb szovjet csapatok érkeztek az országba, november 1-jén kinyilvánította Magyarország kilépését a Varsói Szerződésből és az ország semlegességét.
November 4-én hajnalban a szovjet katonai támadás hírére néhány mondatos rádiószózatot intézett a nemzethez, majd munkatársaival együtt a jugoszláv nagykövetségre menekült. A Kádár-kormány bántatlanságot ígérő menlevelével hagyta el a képviseletet november 22-én, de a szovjet hatóságok (magyar asszisztencia mellett) őrizetbe vették, és a romániai Snagovba internálták. A magyar és a szovjet pártvezetés egyeztetett döntése nyomán 1957. április 14-én letartóztatták, Budapestre szállították, és megkezdődött az ellene irányuló rendőri vizsgálat, majd az MSZMP KB 1957. december 21-i határozata után a politikai per. A vádakat végig elutasította. Többszöri halasztás után, 1958. június 15-én a népi demokratikus államrend megdöntésére irányuló szervezkedés és hazaárulás vádjával halálra ítélték. Tagadta a bírósági eljárás jogosságát, kegyelmet sem kért. Az ítéletet másnap hajnalban a Budapesti Országos Börtön udvarán végrehajtották. A helyszínen elföldelték, majd 1961. februárban holttestét átszállították az Újköztemető 301-es parcellájába, ahol ugyancsak jeltelen sírba helyezték. 1988-ban, kivégzése 30. évfordulóján jelképes síremléket kapott Párizsban, a Père Lachaise temetőben. A magyar ellenzéki erők fellépése nyomán a kormány 1989-ben engedélyezte ő és mártírtársai exhumálását és ünnepélyes újratemetését. Az 1989. június 16-i szertartás a demokratikus átmenet kiemelkedő, jelképes eseménye volt. 1989. július 6-án jogilag is rehabilitálták.