Lan Khai sinh tại xã Vĩnh Lộc, châu Chiêm Hóa, tỉnh Tuyên Quang.

Cha ông là Nguyễn Đình Chức, nguyên quán ở tỉnh Thừa Thiên-Huế. Khoảng năm 1885, ông Chức cùng hai anh hưởng ứng dụ Cần Vương, tham gia khởi nghĩa do Phan Đình Phùng lãnh đạo ở Hương Khê (Hà Tĩnh). Năm 1895, cuộc khởi nghĩa bị dẹp tan, ba anh em ông Chức phải rời bỏ quê hương, lên thượng nguồn Việt Bắc lập nghiệp. Và ông Chức đã dừng lại ở châu Chiêm Hóa hành nghề dạy học, chữa bệnh. Mẹ Lan Khai là Lê Thị Thục, xuất thân trong một gia tộc lâu đời ở địa phương.

Thuở nhỏ, Lan Khai sống gần gũi với các dân tộc Tày, Nùng, Dao, Cao Lan, Hà Nhì...

Năm 8 tuổi (1914), ông theo cha mẹ chuyển về sống ở làng Xuân Hòa (nay thuộc phố Xuân Hòa, tỉnh lỵ Tuyên Quang), nơi cư trú của nhiều gia đình thợ thuyền và phu mỏ (vì làng Xuân Hòa tiếp giáp với mỏ than Tuyên Quang và mỏ kẽm Tràng Đà).

Năm 12 tuổi (1918), ông bắt đầu tập làm thơ, viết văn và sớm bộc lộ năng khiếu hội họa.

Năm 18 tuổi (1924), ông về Hà Nội theo học trường Bưởi. Sau khi học xong bậc Thành chung, ông thi vào trường Cao đẳng Mỹ thuật Đông Dương.

Năm 21 tuổi (1927), ông trở về quê lập gia đình với Hà Thị Minh Kim (1909 - 1999), con một gia đình khá giả ở tỉnh Tuyên Quang, có nhan sắc, học thức và tâm tính nhân hậu...

Lấy vợ xong, cuối năm đó, Lan Khai trở lại trường tiếp tục học tập, nhưng học chưa hết hai năm, ông trở lại Tuyên Quang, dạy học, dịch sách và viết văn. Ông cũng đã dành nhiều thì giờ đi du ngoạn đó đây, để vẽ tranh phong cảnh, sưu tầm những sáng tác dân gian của đồng bào các dân tộc thiểu số và tìm hiểu cuộc sống của những người phu mõ.

Sau, vì tham gia vào tổ chức bí mật kháng Pháp do Nguyễn Thái Học lãnh đạo, Lan Khai bị thực dân Pháp bắt giam ở nhà tù Hỏa Lò (Hà Nội). Cha mẹ ông đã phải bán hết gia sản mới cứu ông thoát chết.

Năm 1934, khi Lan Khai đã thành danh trên văn đàn, ông quyết định đưa cả gia đình về sống ở Hà Nội (ở nhà thuê, thường đổi chỗ). Để nuôi được 8 người, ông phải viết cật lực.

Năm 1938, ông bắt đầu viết cho Tiểu thuyết thứ Bảy và sau đó ông cùng với Lê Văn Trương, trở thành hai cây bút cột trụ của nhà xuất bản Tân Dân.

Năm 1939, ông làm Tổng thư ký tạp chí Tao đàn của nhà xuất bản Tân Dân, đồng thời, còn cộng tác với các báo: Loa, Ngọ báo, Đông Tây, Tiểu thuyết thứ Bảy, Phổ thông bán nguyệt san...

Ngoài ra, ông còn làm diễn viên nghiệp dư trong các vở tuồng và kịch lịch sử tại Nhà hát lớn Hà Nội, làm diễn giả thường xuyên của Hội Trí tri, cộng tác với Hội truyền bá quốc ngữ của Nguyễn Văn Tố...

Cuối năm 1943, sau khi Lan Khai ra tù vì tội viết cuốn Lầm than, gia đình ông lâm vào tình cảnh túng quẫn, cộng thêm bệnh hen suyễn hành hạ ông, nên ông đã phải đưa vợ con về lại quê nhà. Tại đây, ông mở hiệu sách Lan đình bán các loại sách báo, tiếp tục viết văn, dạy học và vẽ truyền thần.

Trong một ngày gần cuối năm 1945, Lan Khai bị một nhóm người khác phe phái thủ tiêu tại Tuyên Quang.