Ông sinh ngày 1 tháng 10 năm 1917 tại làng Phước Yên, huyện Quảng Điền, tỉnh Thừa Thiên (nay là tỉnh Thừa Thiên Huế).

Sinh trong một gia đình rất nghèo, ông được bà ngoại nuôi đến lớn, nên đặt tên là Thư, lấy theo tích đời xưa có ông Ngụy Thư khôn lớn cũng nhờ bên ngoại.

Thuở nhỏ, ông học trường Queignec, Quốc Học Huế. Sau khi thi đỗ bằng thành chung, ông đi làm thư ký Kho bạc, Huế.

Tháng 11 năm 1941, ông được Hoài Thanh và Hoài Chân giới thiệu trong quyển Thi nhân Việt Nam.

Sau, Nguyễn Đình Thư tham gia chống Pháp và sau đó ông đã bị đối phương bắt được. Không chịu khuất phục, ông bị tra tấn rồi bị đối phương cho thiêu cháy chết vào năm nào không rõ[1].

Nguyễn Đình Thư chỉ để lại tập thơ Hương màu, chưa xuất bản.