Az amerikai színész, filmrendező, énekes, költő és fotóművész 1931-ben született Bostonban ukrán származású zsidó szülők gyermekeként. Nyolcéves kora óta játszott színdarabokban, filmszerepben húszéves korában, 1951-ben tűnt fel először, a Queen for a Day című filmben. 1952-ben kapta első főszerepét, a Kid Monk Baroniban.
1964-ben kapta meg a félig ember, félig vulcani Csillagflotta-tiszt, Mr. Spock szerepét a Star Trekben. A sorozat 1966 és 1969 között futott, ezalatt Nimoyt háromszor jelölték Emmy-díjra. Filmes munkái mellett a hetvenes években a színpadon is sikereket aratott többek között a Hegedűs a háztetőn, A király és én és a Sherlock Holmes, Tennessee Williams: A vágy villamosa, Macska a forró bádogtetőn, Loewe: My Fair Lady, Shaffer: Equus, Kesey: Száll a kakukk fészkére, Bart: Oliver! című darabjában. A Vincent című egyszemélyes darabot Vincent van Gogh levelei alapján írta Nimoy és évekig játszotta színpadon nagy sikerrel.
Nehezen fogadta el, hogy az emberek még mindig legsikeresebb szerepével azonosították: 1977-ben megjelent önéletrajzi írása, az I Am Not Spock (Nem vagyok Spock), amit rajongói értetlenül fogadtak. 1979-ben mégis újra Spock bőrébe bújt: a Csillagösvény (Star Trek: The Motion Picture) című filmben Spock, miután megpróbál szakítani csillagflottás múltjával, végül visszatér az Enterprise fedélzetére. 1982-ben, mintegy kísérletképpen arra, hogy végleg leszámoljon a szereppel, Spock a Star Trek II: Khan haragja című filmben hősi halált hal. Nimoy később megbánta a döntést, és a Star Trek III: Spock nyomában című filmben Spock feltámad. Ez volt Nimoy első rendezése. A következő Star Trek filmet szintén ő rendezte, aztán átengedte a helyet William Shatnernek.
1991-ben készült el a Soha ne felejts (Never Forget) című filmje, amelyben egy magyarországi (munkácsi) származású zsidó férfit alakít, aki túlélte a koncentrációs tábort és Amerikában harcolni kényszerült a törvény előtt a holokauszt-tagadókkal. A film megtörtént eseményt dolgoz fel.
1995-ben megjelent második önéletrajza, az I Am Spock (Én vagyok Spock), melyben megbékél azzal, hogy Spockkal azonosítják, és rájön, mennyire az élete részévé vált a szerep.
2002 szeptemberében Nimoy bejelentette visszavonulását, de teljesen mégsem tudott elszakadni Hollywoodtól. 2009-ben újra visszatért a vászonra: ő játszotta az idős Spockot a Star Trek XI. filmben és néhány epizódot vállalt A rejtély (Fringe) című sorozatban is.
A nyolcvanhárom éves színész halálhírét felesége, Susan Bay Nimoy közölte a New York Timesszal.
