Budapesten született 1922. január 3-án. Mindvégig szülővárosában élt, s eredeti nevén publikált. 1939-ben a Baár–Madas Református Leánylíceumban kitüntetéssel érettségizett. Ezt követően a Pázmány Péter Tudományegyetem magyar–latin–művészettörténet szakos hallgatója lett, s itt szerzett diplomát 1944-ben. Egyetemi éveiben munkakapcsolatba került Szerb Antallal és Halász Gáborral.
Nemes Nagy Ágnes a Vörösmarty téren az 1989-es Könyvhéten
Lakóháza a XII. kerületi Királyhágó utca és Böszörményi út sarkán. 33 éven át szerkesztőségi és baráti összejövetelek rendszeres színhelye volt harmadik emeleti lakása
Diákkorától kezdve írt verseket, folyóiratokban 1945-től publikált. Első verseskötete 1946-ban jelent meg. Akkor lépett be a Magyar Írószövetségbe, később tagja volt a Magyar PEN Clubnak is. Ez évben alapította – férjével közösen – az Újhold című irodalmi folyóiratot, amely csak 1948 őszéig jelenhetett meg, de betiltása után mintegy jelképe lett a babitsi Nyugat eszmeiségét és minőségigényét vállaló írói-irodalmi törekvéseknek. 1947–1948 augusztusa között ösztöndíjjal – a magyar tudomány és művészet, az irodalom olyan nagyjaival együtt, mint Pilinszky János, Károlyi Amy, Ottlik Géza vagy Weöres Sándor – a Római Magyar Akadémián, illetve Párizsban tartózkodott tanulmányúton, mintegy a háború szörnyűségeit feldolgozandó.
Elsősorban francia és német nyelvű műveket fordított (így Corneille, Racine, Molière drámáit, Victor Hugo, Saint-John Perse verseit, Rilke és Bertolt Brecht műveit), de antológiákban számos más nyelvből is készült fordítása megjelent. 1946-tól a Köznevelés című pedagógiai folyóirat munkatársa, 1954–1958 között a budapesti Petőfi Sándor Gimnázium tanára, 1958-tól pedig szabadfoglalkozású író volt.
Költői életműve terjedelmét és a kötetek számát tekintve keveset publikált. További új verseit az 1967-es Napfordulóban, majd pedig három gyűjteményes kötetének egy-egy új ciklusában adta közre. Ebben az időszakban írta (sokak által főművének tartott) versciklusát, az „Ekhnáton jegyzeteiből”-t.
Költői munkája mellett a magyar esszéirodalom kimagasló művelője volt. 1975-től kezdődően több kötetben publikálta esszéit, verselemzéseit és a vele készült interjúkat. Önálló kötetet szentelt Babits Mihály költői portréjának. Műelemzései, a költészet rendeltetéséről, a vers belső természetéről szóló írásai a szakszerűség és az érzékletes, sőt élvezetes eleven szemléletesség példái, a tárgyszerűség és személyesség finom ötvözetének mintái.
Nemes Nagy Ágnes sírja Budapesten. Farkasréti temető: 31-2-70. Jovánovics György alkotása
Az 1970-es–1980-as években mértékadó és meghatározó személyisége lett a magyar irodalmi életnek. Kapcsolatot tartott a magyar irodalmi emigráció számos jeles tagjával is. Több ízben képviselte hazája irodalmát külföldi felolvasóesteken és nemzetközi írótalálkozókon, 1979-ben pedig négy hónapot töltött az amerikai Iowai Egyetemen, Iowa Cityben, az egyetem nemzetközi írótáborában.
1986-ban Lengyel Balázzsal közösen – évkönyv formájában – újraindították az Újholdat Újhold Évkönyv címen. A 12 kötet arról tanúskodik, hogy Nemes Nagy Ágnes az Újhold-eszme megvalósítását életműve részének tekintette.
Élete utolsó évében meghívott alapító tagja lett az MTA-n belül szerveződő Széchenyi Irodalmi és Művészeti Akadémiának.
Hosszú szenvedés után, daganatos betegség következtében hunyt el.