Nguyễn Lâm sinh ngày 19 tháng 4 năm Giáp Thìn (tức 4 tháng 6 năm 1844) tại Thừa Thiên.

Ông có đức tính khiêm nhường, siêng năng và học giỏi như cha, chú nên được nhiều người yêu mến. Năm 1864, ông được vua Tự Đức gả em gái là Đồng Xuân công chúa cho ông, và phong làm Phò mã Đô úy.

Năm Tự Đức thứ 24 (1871), Nguyễn Tri Phương đang ở quân thứ Tam Tuyên, Nguyễn Lâm dâng sớ xin đi thăm cha vì "đã lâu không được hầu cha sớm tối", rồi tình nguyện ở lại giúp việc quân.

Đến khi Nguyễn Tri Phương lãnh nhiệm vụ giữ thành Hà Nội và giải quyết việc tay lái buôn Jean Dupuis đang cố tình quấy nhiễu ở đất Bắc, ông cũng xin theo.

Đêm ngày 19, rạng sáng ngày 20 tháng 11 năm 1873, Đại úy Francis Garnier bất thần đánh úp thành Hà Nội, sau khi đòi Nguyễn Tri Phương giải giới nhưng không được trả lời.

Nguyễn Lâm liền cùng cha đến chỉ huy giữ cửa Đông Nam, đúng hướng quân Pháp tấn công vào thành. Đang khi chống trả quyết liệt, Nguyễn Lâm bị trúng đạn và tử thương tại trận vào ngày 20 tháng 11 năm 1873, hưởng dương 29 tuổi.

Ngay sau đó, cha ông cũng bị trọng thương và mất ngày 20 tháng 12 năm 1873, sau khi không chịu cứu chữa và tuyệt thực gần một tháng.