Ông sinh ngày 20 tháng 12 năm 1924 ở Luông Pra Băng (Lào). Tuy nhiên, nguyên quán của ông là ở làng Vũ Thạch, hiện nay là phố Bà Triệu thuộc địa phận phường Tràng Tiền, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội. Cha ông là một viên chức Sở bưu điện Đông Dương, từng sang làm việc ở Lào.
Những năm 1940 ông tham gia Tổ Văn hóa Cứu quốc. Năm 1945 ông tham dự Hội nghị Quốc dân Tân Trào, sau đó được bầu làm Đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa I. Sau Cách mạng tháng Tám, Nguyễn Đình Thi làm Tổng thư ký Hội Văn hóa cứu quốc.
Ông thuộc thế hệ các nghệ sĩ trưởng thành trong kháng chiến chống Pháp. Ông viết sách khảo luận triết học, viết văn, làm thơ, soạn nhạc, soạn kịch, viết lý luận phê bình. Ông được nhà nước phong tặng Giải thưởng Hồ Chí Minh về văn học nghệ thuật đợt I năm 1996.
Sau năm 1954 ông tham gia công tác quản lý văn học nghệ thuật. Từ năm 1958 đến năm 1989 làm Tổng Thư ký Hội nhà văn Việt Nam. Từ năm 1995, ông là Chủ tịch Ủy ban toàn quốc Liên hiệp các Hội Văn học nghệ thuật.
Ông mất ngày 18 tháng 4 năm 2003 tại Hà Nội. Ồng có con trai là nhà văn nổi tiếng Nguyễn Đình Chính
