Nguyễn Văn Thương sinh ngày 22 tháng 5 năm 1919 tại Thừa Thiên Huế. Năm 9 tuổi, ông học đàn nguyệt và tự học ký xướng âm qua sách của Pháp. Năm 1936, tốt nghiệp Quốc học Huế, ông viết bài Trên sông Hương, cũng là một trong những tác phẩm tân nhạc đầu tiên ở Huế.

Năm 1939, Nguyễn Văn Thương ra Hà Nội học. Trong đêm giao thừa năm đó, vì không có tiền để về Huế, ông đi lang thang trên những con phố của Hà Nội và sáng tác nhạc phẩm Đêm đông bất hủ.[1]

Năm 1942, Nguyễn Văn Thương vào làm việc ở Trung tâm Bưu điện Sài Gòn viết Bướm hoa ở đó. Trong Kháng chiến chống Pháp, ông làm công tác tuyên truyền ở mặt trận Bình Trị Thiên. Bài hát Bình Trị Thiên khói lửa của ông ra đời và gây được ấn tượng mạnh mẽ. Hoà bình lập lại, ông tập kết ra Bắc và là một trong những nhạc sĩ đầu tiên soạn nhạc cho các điệu múa chuyên nghiệp như thơ múa Chim gâu, kịch múa Tấm Cám, Múa ô, Chàm rông... Sau Bài ca trên núi viết cho phim Vợ chồng A Phủ, Nguyễn Văn Thương viết nhiều tác phẩm về đề tài Kháng chiến chống Mỹ cứu nước gồm những ca khúc, hợp xướng gây ấn tượng như: Bài ca Việt - Lào, Dâng Người tiếng hát mùa xuân, Gửi Huế giải phóng, hợp xướng Dân ta đánh giặc anh hùng, Tiến lên toàn thắng ắt về ta... Trong thời kỳ đó, Nguyễn Văn Thương từng là trưởng đoàn kiêm chỉ đạo nghệ thuật của hầu hết các đoàn nghệ thuật ca múa nhạc Việt Nam Dân Chủ Cộng Hòa đi biểu diễn ở nước ngoài.[cần dẫn nguồn]

Ông còn nổi tiếng với những tác phẩm khí nhạc như Lý hoài nam (độc tấu sáo trúc, cùng Ngọc Phan), Buôn làng vào hội, Quê hương (cùng Hoàng Dương). Sau khi đi học ở Cộng hoà Dân chủ Đức, Nguyễn Văn Thương viết nhiều tác phẩm khí nhạc khác như Ngày hội non sông độc tấu sáo trúc và bộ gõ, Rhapsodie số 2 cho đàn T’rưng và dàn nhạc giao hưởng, Trở về đất mẹ cho violoncelle và piano... đặc biệt là giao hưởng thơ Đồng khởi của ông đã từng được trình diễn lần đầu tại Leipzig, Cộng hoà Dân chủ Đức năm 1971. Sau năm 1975, Nguyễn Văn Thương vẫn tiếp tục sáng tác các tác phẩm như Adagio Bên dòng sông Thương cho cello và piano, ca khúc Thu Hà Nội, mùa thu tuyệt vời. Ngoài ra, ông còn viết nhạc cho nhiều bộ phim như Vợ chồng A Phủ, Dòng sông âm vang, Hai Bà mẹ, Bình minh xôn xao, Sao Tháng Tám, Ngày ấy bên bờ sông Lam, Thành phố lúc rạng đông... và tác phẩm múa như Tấm Cám, Múa ô, Chàm rông, Thiếu nữ bên hồ, Dưới trăng.

Nguyễn Văn Thương cũng từng giữ chức Giám đốc Nhạc viện Hà Nội, ông đã đưa hệ Trung cấp Âm nhạc cổ truyền lên hệ Đại học. Ông cũng viết nhiều cuốn sách về âm nhạc như Tuyển tập piano, Tuyển tập 16 bài dân ca và dân xã Việt Nam. Ngoài ra, ông còn có một số tác phẩm sân khấu như Mệ lệnh, Cải tô.

Ông mất ngày 5 tháng 12 năm 2002 tại Bệnh viện Thống Nhất Thành phố Hồ Chí Minh và được an táng tại nghĩa trang thành phố.

Ông được đặt tên cho một con đường đẹp ở quận Bình Thạnh, Thành phố Hồ Chí Minh (Từ Vòng Xoay Điện Biên Phủ đến Đinh Bộ Lĩnh)