Cha Nguyễn Khuyến là Nguyễn Tông Khởi (阮宗起, 1796–1909), thường gọi là Mền Khởi, đỗ ba khóa tú tài, dạy học. Mẹ là Trần Thị Thoan (陳式湍, 1799 – 1874), nguyên là con của Trần Công Trạc (陳公鐲), từng đỗ tú tài thời Lê Mạc.

Thuở nhỏ, ông cùng Trần Bích San (người làng Vị Xuyên, đỗ Tam Nguyên năm 1864 – 1865) ở trường Hoàng giáp cùng bạn học Phạm Văn Nghị. Nguyễn Khuyến nổi tiếng là một người thông minh, hiếu học. Năm 1864, Nguyễn Khuyến đỗ đầu cử nhân (tức Giải nguyên) trường Hà Nội.

Năm sau (1865), ông trượt thi Hội nên tu chí, ở lại kinh đô học trường Quốc Tử Giám và đổi tên từ Nguyễn Thắng thành Nguyễn Khuyến, với hàm ý phải nỗ lực hơn nữa (chữ Thắng có chữ lực nhỏ, chữ Khuyến có chữ lực lớn hơn).

Đến năm 1871, ông mới đỗ Hội Nguyên và Đình Nguyên (Hoàng giáp). Từ đó, Nguyễn Khuyến thường được gọi là Tam Nguyên Yên Đổ (三元安堵).

Năm 1873, ông được bổ làm Đốc Học, rồi thăng Án Sát tại tỉnh Thanh Hóa. Năm 1877, ông thăng Bố Chính tỉnh Quảng Ngãi. Sang năm sau, ông bị giáng chức và điều về Huế, giữ một chức quan nhỏ với nhiệm vụ toản tu Quốc Sử Quán. Nguyễn Khuyến cáo quan về Yên Đổ vào mùa thu năm 1884 và qua đời tại đây.

Nguyễn Khuyến là người có phẩm chất trong sạch, mặc dù ra làm quan nhưng nổi tiếng là thanh liêm, chính trực. Nhiều giai thoại kể về đời sống và sự gắn bó của Nguyễn Khuyến đối với nhân dân. Ông là người có tâm hồn rộng mở, giàu cảm xúc trước cuộc sống và gắn bó với thiên nhiên.