Thuở nhỏ ông thông minh, hiếu học, năm Đinh Dậu (1837) đỗ tú tài. Năm Tân Sửu (1841) niên hiệu Thiệu Trị nguyên niên, ông đậu cử nhân. Năm Nhâm Dần (1842), thi Đình đậu Tam giáp đồng tiến sĩ.

Năm 1843, ông được bổ Biên tu ở Nội các, năm sau thăng Tu soạn; năm 1845 được bổ Tri phủ Tân An, ở Gia Định; năm 1847 chuyển về làm Tri phủ Quảng Hóa, tỉnh Thanh Hóa. Năm này thân sinh mất, ông về cư tang, năm 1848 được bổ làm Tri huyện Quảng Ninh, tỉnh Quảng Bình.

Năm 1851, được thăng Tập hiền viện Thị độc, sung giảng sách ở Tòa Kinh diên, năm 1852 làm Thị giảng học sĩ, năm này sung phái bộ sang Trung Quốc.

Sau khi đi sứ về được thăng Hồng Lô tự khanh sung Biện lí bộ Lại kiêm Nội các làm việc tại triều đình.

Năm 1856, tàu chiến Pháp tấn công chiếm Đà Nẵng, ông được phái vào giúp Tổng đốc Quảng Nam là Đào Trí lo chống lại. Năm 1860, Pháp đánh chiếm Gia Định, ông sung chức Gia Định Quân thứ Tán lí quân vụ trông coi việc quân sự.

Năm 1861, Trung tướng Hải quân Pháp là Charner vây đồn Chí Hòa do Nguyễn Tri Phương trấn giữ. Dưới áp lực của quân Pháp, ông chiến đấu và hi sinh cùng với Tôn Thất Trỉ, còn Nguyễn Tri Phương và Phạm Thế Hiển bị thương. Cuối cùng Nguyễn Tri Phương rút được về Biên Hòa.

Sau khi mất ông được triều đình truy tặng hàm Binh bộ tả tham tri và được thờ tại đền Trung Nghĩa, Trung Hiếu cùng anh là Nguyễn Tri Phương và cháu là Nguyễn Lâm.