Foi um cineasta norte-americano. Estudou arquitetura com Frank Lloyd Wright e trabalhou no teatro, como ator, sob a direção de Elia Kazan e John Houseman.
Começou a fazer cinema depois do término da Segunda Grande Guerra e seu primeiro filme data de 1948. Tornou-se rapidanmente um diretor com marcas distintivas fortes: heróis frágeis, palpáveis, que tentam sobreviver num mundo cuja chave de decifração eles não detêm. Nesse mundo, a onipresente violência física e mental convive com a possibilidade de uma paixão arrebatadora e irrestrita.
Seus primeiros filmes frequëntemente focalizavam tipos marginalizados como heróis. Em seu primeiro filme como diretor, o lírico "Amarga Esperança", de 1948, Farley Granger fazia o papel de uma asaltante de bancos indeciso em sua fuga com a namorada. Em "No Silêncio da Noite", de 1950, Humphrey Bogart era um roterista auto-destrutivo acusado de assassinato. Em "Cinzas que Queimam", de 1951, Robert Ryan era um policial amargo, e "Johnny Guitar", de 1954, trazia Joan Crawford como uma conivente dona de saloon.
Em "Cinzas que Queimam", a estrutura básica de "Juventude Transviada" estava montada: um policial (Robert Ryan), nitidamente afetado pelo desencanto e pelo ambiente em que vive, passa a agredir violentamente os criminosos que persegue. Depois do enésimo caso de violência acima do aceitável, ele é conduzido a uma investigação no campo onde encontrará uma mulher cega (Ida Lupino), por quem se apaixonará, mesmo que isso implique reconsiderar sua relação com a violência e seu poder auto-destrutivo. O talento e a fluência de Nicholas Ray para filmar essas cenas extremas, tanto os arroubos de violência quanto os delicados momentos da paixão nascente, não fascinou de primeira a crítica norte-americana, mas encantou os então jovens críticos da revista Cahiers du Cinéma, que trataram de classificá-lo como o mais importante cineasta do pós-guerra (Éric Rohmer, em sua crítica sobre Juventude Transviada, que em Portugal se chamou Fúria de Viver, Cahiers nº59). Jean-Luc Godard acreditava ser Ray a expressão pura do cinema.
Em "Juventude Transviada", Nicholas Ray encontrou um ator perfeito para designar todos os estados de espírito com os quais mais gostava de trabalhar; James Dean é ao mesmo tempo um rosto criança abandonado pela vida e, inversamente, a possibilidade de uma explosão de violência quando menos se espera. Mal ou bem, os protagonistas mais importantes de Nicholas Ray, de 1949 a 1955, são adultos abandonados, como Sterling Hayden, Humphrey Bogart ou Robert Ryan.
Seus últimos filmes foram duas super-produções rodadas na Espanha, dos quais ele não teve total controle direto na direção, devido às imposições do produtor Samuel Bronston: "King of Kings" (Rei dos Reis), de 1961, e um belo filme sobre a vida de Cristo, cujo ponto marcante é a cena do Sermão da Montanha, e que Ray dirigiu com muita competência, locomovendo, além dos atores, sete mil figurantes, além da bela trilha sonora de Miklos Rozsa, e 55 Dias em Pequim, de 1962, sobre a ocupação dos ingleses e norte-americanos na China, na época dos boxers. Em seu último filme, Ray sofreu durante as filmagens um enfarte.
Abandonando a direção e Hollywood, Ray dedicou-se ao ensino universitário, lecionando Cinema e Direção até meados dos anos 70, quando descobriu que tinha câncer. Wim Wenders, que o admirava, o colocou em seu filme "O Amigo Americano", de 1977, como ator, e co-dirigiu com ele o documentário Lightning Over Water, editado em 1980, e que reflete os últimos momentos de Nicholas Ray e sua luta contra o câncer, que finalmente o sucumbiu. Foi cremado e suas cinzas foram enterradas no jazigo de sua mãe.

Filhos: Anthony Ray, Timothy Ray, Nicca Ray, Julie Ray
Cônjuge: Susan Ray (de 1969 a 1979), Betty Utley (de 1958 a 1964), Gloria Grahame (de 1948 a 1952), Jean Evans (de 1936 a 1940)