Il naquit à Rome vers l’an 800 dans une famille noble. Très pieux, après avoir reçu une solide éducation, il entra dans les ordres. Il fut ordonné sous-diacre par le pape Serge II puis diacre et prêtre par saint Léon IV. Après la mort de Benoît III, il fut élu pape le 24 avril 858. Il fut probablement le premier à vouloir être couronné solennellement pour marquer qu’il n’était pas subordonné à l’empereur ; plus généralement, l’ensemble de son règne est marqué par l’affirmation de la primauté du siège romain.

Le pape imposa notamment son autorité aux évêques. Il excommunia par exemple l’archevêque Jean VII de Ravenne, et rétablit l’évêque de Soissons Rothade Ier sur son siège, alors qu’il avait été démis par son évêque suffragant Hincmar de Reims. Il prit la défense de saint Ignace de Constantinople, qui avait été écarté de son patriarcat au profit de Photius, qu’il excommunia. Il imposa aussi son autorité sur les souverains, surtout dans une affaire de divorce du roi de Lotharingie Lothaire II. Il prit le parti d’intervenir régulièrement dans les affaires des souverains temporels qui, chrétiens, devaient dépendre de son autorité.

Il eut une importante activité épistolaire. Par exemple, en 866, il répondit à la question du souverain bulgare Boris Ier qui voulait savoir si le port du pantalon par les chrétiens était peccamineux, et s’il devait donc changer les coutumes de son peuple : « Que vous ou vos femmes portiez ou non un pantalon n’empêche ni ne contribue à votre salut, ni à l’accroissement de votre vertu. » Il ajouta : « Nous considérons que votre question sur les pantalons est sans importance ; car nous ne souhaitons pas que le style extérieur de vos vêtements soit changé, mais plutôt le comportement de l’homme intérieur en vous, et nous ne désirons pas savoir ce que vous portez, sinon le Christ – car tous ceux d’entre vous qui ont été baptisés dans le Christ ont revêtu le Christ (Gal, III, 27) – mais plutôt comment vous progressez dans la foi et les bonnes œuvres. »

Nicolas Ier encouragea fortement l’activité missionnaire, fit construire et rénover plusieurs églises à Rome, ordonna que la représentation du coq figure sur chaque église, fixa les règles de l’abstinence les mercredis et vendredis. Il mourut à Rome le 13 novembre 867 et fut immédiatement reconnu pour sa grandeur et sa sainteté. Son culte de développa rapidement, et il fut officiellement inscrit au martyrologe en 1630 par le pape Urbain VIII.