Nguyễn Thuật sinh ngày 13 tháng 5 năm Nhâm Dần (1842) tại làng Hà Lam, huyện Lễ Dương, phủ Thăng Hoa, trấn Quảng Nam (nay là thị trấn Hà Lam, huyện Thăng Bình, tỉnh Quảng Nam).

Ông xuất thân trong một gia đình Nho học, là con trai thứ của ông Nguyễn Đạo và bà Võ Thị Tại.

Thuở nhỏ, ông học tại nhà, sau học tại trường Huấn huyện Thăng Bình và trường Đốc tỉnh Quảng Nam. Năm Tự Đức thứ 20 (1867), Nguyễn Thuật thi đỗ cử nhân; năm sau, đỗ Phó bảng. Ban đầu, ông được bổ làm Biên tu sung Hàn lâm viện nội các, rồi thăng làm Giáo đạo trường Dưỡng Thiện, dạy các Hoàng tử.

Năm Tự Đức thứ 34 (1881), thăng Nguyễn Thuật hàm Tham tá các vụ, lãnh Bộ Hộ thị lang, rồi nhận lệnh làm Chánh sứ sang Trung Quốc. Đến khi về nước, ông được thăng hàm Tham tri.

Năm Tự Đức thứ 36 (1883), ông lại được cử làm Phó sứ để cùng Chánh sứ Phạm Thận Duật sang Thiên Tân (Trung Quốc) bàn việc hội thương, nhưng không thành công.

Trở về nước, lúc này vua Tự Đức đã băng hà (tháng 7 năm 1883), ông được vua Kiến Phúc bổ làm Tuần vũ Thanh Hóa (1884). Cũng trong năm này, ông được cử làm Chánh chủ khảo kỳ thi Hội.

Tháng 5 năm Ất Dậu (tháng 7 năm 1885), quân Pháp chiếm Kinh thành Huế, vua Hàm Nghi xuất bôn ra Quảng Trị bạn dụ Cần Vương; Nguyễn Thuật xin bãi chức vì người thân của ông tham gia chống Pháp rất đông, nhưng không được triều Đồng Khánh chấp thuận. Sau đó, ông được sung chức Tả trực Tuyên úy, rồi Thượng thư bộ Hộ, Thượng thư bộ Lại, Hiệp Biện Đại học sĩ gia hàm Thái tử Thiếu bảo.

Năm Đồng Khánh thứ hai (1887), ông được cử làm Tổng đốc Thanh Hóa. Kỳ thi Hội năm này, ông cũng được cử làm Chánh chủ khảo.

Năm Thành Thái thứ năm (1893), ông được triệu về kinh nhận hàm Hiệp tá đại học sĩ, tước An Trường tử, lãnh chức Thượng thư bộ Binh, sung Cơ mật viện đại thần.

Năm Thành Thái thứ tám (1896), với cương vị Tổng tài Quốc sử quán, Nguyễn Thuật nhận lệnh hiệp cùng Trương Quang Đản soạn cuốn Sử Quán thư mục.

Năm Thành Thái thứ mười ba (1901), vì bất hòa với Hoàng Cao Khải, và còn vì chống đối việc Nguyễn Thân chém chết mười mấy người thuộc chi đảng của Phan Đình Phùng, nên Nguyễn Thuật xin về hưu, rồi mở trường dạy học tại quê nhà. Kính trọng, người dân địa phương gọi ông là "cụ Thượng Hà Đình".

Đến khi chính quyền bảo hộ Pháp và Nam triều cho Nguyễn Thân về hưu và cử Hoàng Cao Khải ra Bắc Kỳ, vua Thành Thái liền ban chỉ triệu Nguyễn Thuật và cựu Thượng thư Hồ Lệ vào triều.

Sang đời vua Duy Tân, Nguyễn Thuật lại xin về hưu, rồi tiếp tục dạy học cho đến khi qua đời ngày 25 tháng 11 ÂL năm Tân Hợi (tức ngày 13/1/1912), thọ 70 tuổi.

Nguyễn Thuật là một quan lớn triều Nguyễn, trải các đời vua Tự Đức, Hàm Nghi, Thành Thái, Duy Tân mà gia đình vẫn thanh bạch, đương thời được nhân dân và sĩ phu trọng vọng [1].

Hậu thế tôn vinh

Ngày 15/9/2015,[2] Sở VHTTDL tỉnh Quảng Nam phối hợp với UBND huyện Thăng Bình tổ chức Hội thảo khoa học: "Hà Đình Nguyễn Thuật - Danh nhân văn hóa."

Tất cả các nhà khoa học, nhà quản lý đều lên tiếng về việc chính quyền nên đầu tư thích đáng cho ngôi nhà thờ cụ, trên nền đất Vườn quả cũ, dịch thuật, phổ biến các tác phẩm của cụ,...