De noble cuna, fue nombrado cardenal en 1244 por el Papa Inocencio IV y protector de los franciscanos en 1261 por el Papa Urbano IV. Después de un colorido y celebrado servicio en la Curia, fue elegido Papa el 25 de noviembre de 1277, e inició una reforma administrativa de los Estados Pontificios. Fue el primer papa en hacer del Vaticano su residencia.
En asuntos de la iglesia, Nicolás emitió la importante bula de 1279, resolviendo temporalmente la lucha franciscana sobre la interpretación de la pobreza perfecta que había dividido la orden en dos facciones, los Conventuales y los Espirituales. Su bula revocó las concesiones relativas al uso del dinero hechas por el Papa Inocencio IV y aclaró la decisión de Inocencio de que todas las posesiones de la orden, excepto las reservadas por los donantes, pertenecían al papado.
Nicolás continuó con éxito la política del Papa Gregorio X de frenar al ambicioso rey siciliano Carlos I de Anjou y no renovó los cargos de Carlos como vicario imperial de la Toscana y senador de Roma, cargo que Nicolás impidió que volviera a ocupar un gobernante extranjero. Indujo al rey alemán Rodolfo I a reconocer que la provincia italiana de la Romagna (aunque no se incorporó hasta mucho más tarde) pertenecía a la iglesia. Ansioso por mantener un equilibrio de poder entre Rodolfo y Carlos, que había invadido Italia y que era apoyado por el partido gobernante de Florencia, Nicolás envió a su sobrino el cardenal Malebranca a Florencia en 1279 en una misión que resultó en una reorganización de ese gobierno.
En mayo de 1280 arregló un tratado para terminar con los reclamos de las dinastías soberanas – los Habsburgo y los Angevinos – por la posesión de Sicilia. Su temprana muerte arruinó sus planes de reorganizar el Sacro Imperio Romano Germánico y llevó a una renovación de la influencia angevino-francesa en el papado bajo su sucesor, el Papa Martín IV. Nicolás era un realista político; aceptó la idea de que cada cardenal era el agente de un interés político, y exaltó a su propia familia, los Orsini, que adquirieron una creciente influencia en la política y administración de la Iglesia. Por su nepotismo, Nicolás aparece en el infierno en la Divina Comedia de Dante.