Budapesten született 1922. január 3-án, ugyanitt halt meg 1991. augusztus 23-án. 1939-ben a Baár–Madas Református Leánylíceumban kitüntetéssel érettségizett. Ezt követően a Pázmány Péter Tudományegyetem magyar–latin–művészettörténet szakos hallgatója, s itt szerzett diplomát.

Egyetemi éveiben munkakapcsolatba került Szerb Antallal és Halász Gáborral. 1944 áprilisában kötött házasságot Lengyel Balázs író–szerkesztő–kritikussal. 1958-ban elváltak, de munkatársi, szellemi életközösségük a további évtizedekben is megmaradt.

Diákkorától kezdve írt verseket, folyóiratokban 1945-től publikált. Első verseskötete Kettős világban címen 1946-ban jelent meg. Ez évben alapította – férjével közösen – az Újhold című irodalmi folyóiratot, amely csak 1948 őszéig jelenhetett meg, de betiltása után mintegy emblémája lett a babitsi Nyugat eszmeiségét és minőségigényét vállaló írói-irodalmi törekvéseknek.

A diktatúra éveiben Nemes Nagy Ágnes szinte csak műfordítóként és a gyermekirodalom művelőjeként publikálhatott. Elsőrendűen francia és német nyelvű műveket fordított de antológiákban számos egyéb és más nyelvből is készült fordítása megjelent. 1946-tól a Köznevelés című pedagógiai folyóirat munkatársa volt, 1954-től pedig négy éven át a budapesti Petőfi Sándor Gimnázium tanára. 1958-tól szabad szellemi foglalkozású íróként dolgozott.

Második kötetének, a Szárazvillámnak a megjelenésétől (1957) folyamatosan jelen volt az irodalmi nyilvánosságban, de mindvégig távol tartotta magát a kultúrpolitikai hivatalosságtól. A költői életmű terjedelmét és a kötetek számát tekintve keveset publikált. További új verseit az 1967-es Napfordulóban, majd pedig három gyűjteményes kötetének egy-egy új ciklusában adta közre.

Eredetisége és költői ereje révén a korszak meghatározó, nemzedék-jelző alkotója lett. Versei külföldi folyóiratokban, antológiákban és önálló fordításkötetekben is megjelentek – angol, német, francia és olasz nyelven. Költői munkája mellett a magyar esszéirodalom kimagasló művelője volt. 1975-től kezdődően több kötetben publikálta esszéit, verselemzéseit és a vele készült interjúkat. Önálló kötetet szentelt Babits Mihály költői portréjának (1984: A hegyi költő).

Az 1970-es, 80-as években mértékadó és meghatározó személyisége lett a magyar irodalmi életnek. Kapcsolatot tartott a magyar irodalmi emigráció számos jeles tagjával is. Több ízben képviselte hazája irodalmát külföldi felolvasó esteken és nemzetközi írótalálkozókon (Belgium, Franciaország, Németország, Anglia, Írország, Izrael), 1979-ben pedig négy hónapot töltött Iowában (USA), az egyetem nemzetközi írótáborában.

1986-ban Lengyel Balázzsal közösen – almanach formában – újraindították az Újholdat (Újhold-Évkönyv, évente kétszer 1986–1991). A tizenkét kötet arról tanúskodik, hogy Nemes Nagy Ágnes az Újhold-eszme megvalósítását életműve részének tekintette. Az évkönyvek a magas művészi és szellemi minőség elve alapján szerkesztődtek. Nemzedéktől függetlenül azok publikáltak bennük, akik e gondolattal azonosultak és e mércét megütötték. A szépirodalom mellett bőséges teret kapott bennük az esszé, a tanulmány – a legkülönbözőbb művészeti és tudományos területről. A sorozat Nemes Nagy Ágnes halálával megszűnt.

Az író díjat, kitüntetést keveset kapott. Fiatalon, első kötetével elnyerte a Baumgarten-díjat (1948), első válogatott kötetéért kapta a József Attila-díjat (1969) és életművének elismerésére a Kossuth-díjat (1983). Halála után, 1997-ben Lengyel Balázzsal közösen megkapta Izrael Állam „Yad Vashem” kitüntetését, mert a Holocaust idején azon bátrak és igazak közé tartozott, akik biztonságuk kockáztatásával védték, bújtatták és mentették az üldözötteket.

Élete utolsó évében meghívott alapító tagja lett a Magyar Tudományos Akadémián belül szerveződő Széchenyi Irodalmi és Művészeti Akadémiának. 1998-ban a Pro Renovada Cultura Hungariae Alapítvány Nemes Nagy Ágnes Emlékdíjat alapított a magyar esszéirodalom legjobbjainak elismerésére, a díjat először 1999-ben ítélték oda három személynek.