Il est le plus jeune de quatre enfants. Son père, qui a déjà eu deux filles d'un mariage précédent, est alcoolique. Allemand catholique, il devient luthérien. Sa mère travaille dans le domaine artistique.
Nicholas Ray étudie d'abord à l'Université de Chicago qu'il quitte en 1932. Il déménage par la suite à New York et change de nom. Puis il retourne au Wisconsin, invité par Frank Lloyd Wright, avec qui il étudie dans une école d'architecture, nommée Taliesin. Il quitte à nouveau cette école... pour revenir à New-York.
Avec à peine 100 dollars en poche, il rejoint un groupe de Théâtre d'Improvisation de New-York. C'est là qu'il rencontre le producteur
Elia Kazan, surtout connu pour sa façon peu commune de pousser ses étudiants dans leurs limites ; c'est cette façon d'enseigner qui marque Nicholas Ray pour le reste de sa vie. D'ailleurs, lorsque Kazan produit son premier film à Hollywood
Le Lys de Brooklyn, il est engagé comme assistant.
Il commence alors à réaliser ses propres films. Le premier s'intitule
Les Amants de la nuit. En 1949, il produit
Secret de femme, mettant en vedette
Gloria Grahame, qu'il épouse à la suite du tournage. Puis se succèdent les tournages : Les Ruelles du malheur avec
Humphrey Bogart,
Le Violent en 1950. Viennent ensuite Born to Be Bad, de
Les Diables de Guadalcanal (avec
John Wayne), La Maison dans l'ombre , Les Indomptables et
Johnny Guitare, un succès au box-office.
Après cette réussite, Nicholas Ray rencontre la compagnie Warner Bros., qui lui demande de réaliser
La Fureur de vivre. Ce film doit être, au départ, une vision des travaux du Docteur Robert M. Lindner sur les adolescents violents. Warner Bros, qui avait acheté les droits de cette oeuvre, envisage de faire appel à deux jeunes acteurs principaux (
Marlon Brando et
Sidney Lumet). Cependant, aucun des deux n'accepte de participer à ce projet.
Le sujet de la délinquance juvénile est omniprésent dans les médias américains depuis longtemps à l'époque et c'est ce qui incite Ray à s'engager dans le projet. Il a d'ailleurs déclaré à ce sujet: «Ce n'était ni le psychopathe ni le fils d'une famille mal famée qui m'intéressait». Peu après, Ray commence cependant à écrire sa propre histoire, intitulée The Blind Run, une histoire crue de 17 pages qui est une série de scènes choquantes et brutales et d'actes criminels. Se joint à lui le producteur David Weisbart, avec qui il refond l'histoire pour la rendre plus acceptable. Par la suite, Ray réalise toute l'absurdité de l'étude dont Rebel Without a Cause doit exposer les théories : les méchants viennent de petites familles pauvres, les riches sont les gentils. «C'est totalement faux, dit Ray. Ce sont nous tous».
Pour peaufiner le scénario de Rebel, il fait appel à un dynamique auteur de 32 ans, Stewart Stern. Ray sélectionne
James Dean afin de jouer le personnage principal du long métrage. Les deux hommes ont beaucoup en commun ; ils ont par exemple eu un mauvais père (le père de Dean l'a abandonné à l'âge de six ans).
La bande sonore du film bénéficie du concours de Leonard Rosenman, qui a composé la musique pour À l'est d'Éden.
Cependant la Warner Bros reste de glace par rapport au choix de l'acteur principal. La compagnie veut plutôt des jeunes acteurs, des étoiles montantes, comme
Robert Wagner,
Tab Hunter ou
John Kerr. Pour trouver la vedette féminine du film, il fait appel à
Natalie Wood, alors âgée de 16 ans.
James Dean meurt peu après, une semaine avant la grande première du film Géant. Alors que son destin tragique l'inscrit dans la légende, Ray est au bout du rouleau. La mort de Dean représente une grande perte pour lui. Voulant désespérément le remplacer, il réalise
Le Roi des rois et Les 55 jours de Pékin. Cependant, il est victime d'un malaise cardiaque sur le plateau de 55 Days. Cela sonne le glas de sa carrière. Il a tout perdu. Il devient de plus en plus exalté au sujet de James Dean, affirmant que ce dernier lui a légué des biens matériels, comme par exemple ce fusil qu'il exhibe devant des étudiants de la Sorbonne.
Devenu alcoolique et joueur compulsif, sa fortune fond à vue d'oeil. En 1969, à 58 ans, il rencontre à l'université de Chicago sa quatrième et dernière femme, Susan Schwartz, une étudiante âgée de 18 ans.
Il meurt d'un cancer des poumons le 16 juin 1979.