Ha trascorso i suoi primi anni a Boston, nel Massachusetts, dove viveva in un quartiere piuttosto disagiato e coltivava il sogno di diventare attore, prendendo parte, fin dalla più tenera età in varie produzioni teatrali amatoriali. Nel 1949 si è trasferito a Hollywood, per seguire corsi di recitazione, e viveva in una pensione, facendo lavori saltuari per mantenersi agli studi. Nel 1951 ha iniziato a ricevere proposte di ruoli marginali in film e serie TV poco note, ma tutto ciò che ha fatto è stato prezioso per accumulare esperienza. Nel 1952 ha ottenuto il primo ruolo protagonista in un film, Kid Monk Baroni. Subito dopo ha lavorato per due anni nell'Esercito e durante il servizio militare ad Atlanta, Nimoy ha diretto e interpretato una riuscita produzione del play di Tennessee Williams Un tram chiamato Desiderio. Dopo il servizio militare, Nimoy è tornato a lavorare al cinema, in TV e a teatro. Alla fine degli anni '50 e nei primi anni '60, Nimoy è apparso nei noti spettacoli televisivi dell'epoca: Wagon Train, The Man from U.N.C.L.E., Rawhide, Perry Mason e Combat. Il successo ottenuto da Nimoy nella serie televisiva di fantascienza Star Trek gli è valso il riconoscimento internazionale. Il suo personaggio, Mr. Spock, apparso per la prima volta nel 1966, sarebbe diventato un'icona nel corso degli anni, mentre la serie televisiva continuava ad allargare i propri orizzonti e ad evolversi in ben sei film a soggetto per il grande schermo. Il ritratto di Nimoy del vulcaniano Spock gli ha meritato tre nomination all' Emmy. Nimoy in seguito ha diretto con successo i film Star Trek III: The Search for Spock (Star Trek III - alla ricerca di Spok) e Star Trek IV: The Voyage Home (Rotta verso la Terra), e ha scritto Star Trek IV e Star Trek VI, di cui è stato anche produttore esecutivo. Il suo Star Trek IV: The Voyage Home (Rotta verso la Terra), incentrato sul salvataggio delle balene gobbe, risulta ad oggi il film più apprezzato del franchise di Star Trek. Gene Roddenberry, il creatore di Star Trek, ha definito Nimoy la coscienza di Star Trek. Altri suoi lavori di regia comprendono The Good Mother, con Diane Keaton e Liam Neeson; il blockbuster Three Men and a Baby (Tre uomini e un bebè) con Tom Selleck, Ted Danson e Steve Guttenberg; Funny About Love con Gene Wilder, Christine Lahti e Mary Stuart Masterson; e Holy Matrimony con Patricia Arquette e Joseph Gordon-Levitt. A teatro Nimoy ha recitato in Camelot, The Man in the Glass Booth, Twelfth Night, Oliver! e in Fiddler on the Roof, con una tournèe che ha battuto ogni record di date. Con Vincent, un play su Van Gogh, da lui prodotto e diretto, Nimoy ha girato 35 città negli Stati Uniti; lo spettacolo è stato infine ripreso durante la messa in scena al Guthrie Theater di Minneapolis e trasmesso da A&E Network, con una installazione al Van Gogh Museum di Amsterdam. Un altro successo è stato Sherlock Holmes al National Tour della Royal Shakespeare Company. A Broadway, Nimoy è stato il protagonista di Equus e Full Circle. In televisione ha speso due anni nella serie Mission: Impossible ed è apparso in numerosi TV movies fra cui A Woman Called Golda, ottenendo una nomination all'Emmy al fianco di Judy Davis e Ingrid Bergman. Nel 1991 ha recitato in Never Forget, di TNT, in cui interpretava un sopravvissuto dell'Olocausto. Il programma, che lui ha anche coprodotto insieme a Robert Radnitz, è stato nominato per un Cable ACE Award. Di recente è apparso nella puntata I, Robot di The Outer Limits, in cui è stato diretto dal figlio Adam Nimoy. Oltre a presentare la serie di grande successo In Search of . . ., Nimoy è stato conduttore e narratore di Ancient Mysteries, su A&E Network. Nimoy ha scritto tre volumi di poesie e ha inciso dieci album narranti. Nel 1975 ha pubblicato un'autobiografia dal titolo I Am Not Spock. Il suo seguito, I Am Spock, è stato pubblicato da Hyperion. La performance di Nimoy della versione audio è stata nominata a un Grammy Award. Le fotografie artistiche in bianco e nero di Nimoy sono esposte in diverse gallerie di tutto il paese e in numerosi musei e collezioni private negli Stati Uniti e all'estero. Il suo saggio fotografico sul tema dell'identità femminile di Dio è in fase di pubblicazione con il titolo . La sua seconda pubblicazione fotografica, The Full Body Project, è un commento dell'immagine del corpo femminile nella cultura americana.
Nimoy, insieme al collega John de Lancie, ha fondato una società di produzione che si chiama Alien Voices. Hanno prodotto drammatizzazioni audio di Journey to the Center of the Earth di Jules Verne, The Lost World di Sir Arthur Conan Doyle e The Time Machine, The Invisible Man e The First Men in the Moon di H.G. Wells, distribuito da Simon and Schuster Audio. La loro produzione televisiva di The First Men in the Moon è stata un evento storico, una trasmissione live in stile 'radiofonico vecchio stile' in onda su Sci-Fi Channel e trasmessa contemporaneamente su Internet. A questo hanno fatto seguito The Lost World e A Halloween Trilogy che consiste in tre storie brevi: The Mark of the Beast di Rudyard Kipling, The Canterville Ghost di Oscar Wilde e The Casque of Amontillado di Edgar Allan Poe. Nimoy ha un Master in Insegnamento e quattro dottorati ad honorem.
