Nguyễn Phúc Luân là con thứ hai của chúa Nguyễn Phúc Khoát, mẹ là Trương Thị Dung (張氏容). Trên ông còn có người anh là Nguyễn Phúc Chương (阮福章), qua đời vào năm 1763.

Năm 1760, em trai ông là thế tử Nguyễn Phúc Hạo mất, Nguyễn Phúc Khoát có ý định truyền ngôi cho ông nên giao cho Ý Đức Hầu Trương Văn Hạnh và Thị giảng Lê Cao Kỷ chăm lo dạy dỗ. Theo lời kể lại, ông vốn thông minh và có nhiều đức tính. Ban đầu ông được phong chức Chưởng cơ. Những buổi họp quan trọng trong triều ông đều được tham dự để có thể am hiểu sự tình trong nước.[cần dẫn nguồn]

Năm 1765, Nguyễn Phúc Khoát mất, để lại di chiếu truyền ngôi cho Nguyễn Phúc Luân. Nhưng quyền thần Trương Phúc Loan cùng một số gian thần khác thay đổi di chiếu, lập em nhỏ là Nguyễn Phúc Thuần còn nhỏ tuổi lên ngôi chúa để dễ bề giám sát, khống chế. Còn Nguyễn Phúc Luân thì bị tống giam vào ngục.

Sau vì lo buồn, bị bệnh nên ông qua đời ở phủ đệ ngày 10 tháng 9 năm Ất Dậu (tức ngày 24 tháng 10, năm 1765), hưởng dương 33 tuổi.[1]