Nikolaus Lenau wurde als Nikolaus Franz Niembsch, Edler von Strehlenau, am 13. August 1802 in Csatád (Königreich Ungarn, heute Rumänien) geboren.
Lenaus Vater, ein Offizier und Beamter, starb, als Nikolaus 5 Jahre alt war. Da der Vater das ganze Vermögen verspielt hatte, wuchs Lenau unter ärmlichen Verhältnissen in Budapest auf. Seine Mutter heiratete im Jahr 1811 den Arzt Karl Vogel und ermöglichte durch den Einsatz ihres Erbes ihrem Sohn den Besuch des Piaristengymnasiums.
1818 übersiedelte Lenau zu seinen Großeltern väterlicherseits nach Stockerau und maturierte am Schottengymnasium in Wien. Anschließend absolvierte er einen dreijährigen philosophischen Lehrgang an der Universität Wien.
Im Jahr 1820 machte er Bekanntschaft mit dem Lyriker Anton Xaver Schurz, dem späteren Gatten seiner Schwester Therese.
Einem kurzen Studium des Ungarischen Rechts in Preßburg folgte1822 ein Semester Ackerbau an der landwirtschaftlichen Akademie in Altenburg (Ungarn).
1823 zog er nach Wien, wo er mit Schriftstellern verkehrte, unter anderen mit Anastasius Grün, Eduard von Bauernfeld, Ernst von Feuchtersleben und Johann Gabriel Seidl, der Lenaus erste Gedichte in seiner Zeitschrift „Aurora“ veröffentlichte. Auch freundete er sich mit Franz Grillparzer und Johann Strauß (Vater) an. Lenau war selbst ein guter Geiger.
1824 studierte Lenau Rechtswissenschaften an der Universität Wien, danach inskribierte er Medizin.
Die häufigen Studien- und Ortswechsel Lenaus verdeutlichen seine Ruhelosigkeit und Ziellosigkeit.
Nach dem Tod seiner Mutter im Jahr 1829 wurde Lenau zusehends depressiver, diese Gemütsverfassung, seine Melancholie, mündete jedoch in eine kreative Schaffensphase. 1830 beerbte er die väterlichen Großeltern und gab das Studium abermals auf.
1831 reiste Lenau nach Württemberg, wo er eine enge Beziehungen zu den Dichtern der Schwäbischen Schule hatte, besonders zu Gustav Schwab und Ludwig Uhland. Schwab ermöglichte ihm die Veröffentlichung von Gedichten beim Verlag Cotta und als Dank widmete Lenau ihm seinen ersten Gedichtband. 1832 entstanden die „Schilflieder“, ein Gedichtzyklus, der den schwermütigen Naturlyriker bereits erkennen lässt. Er setzte in Heidelberg sein Medizinstudium fort und war Mitbegründer der Burschenschaft Frankonia.
Während eines für Lenaus Erwartungen enttäuschenden Amerikaaufenthaltes (1832/33) erschien bei Cotta die erste Ausgabe der „Gedichte“ und er wurde bei seiner Rückkehr wurde er bereits als bekannter Autor gefeiert. In dieser Zeit freundete sich Lenau mit Maximilian Freiherr von Löwenthal und dessen Ehefrau Sophie an, in die er sich unglücklich verliebte. Diese unerfüllte Liebe zu Sophie steigerte seine Melancholie und seinen Weltschmerz.
1836 erschien „Faust, ein Gedicht“, der Fauststoffs in episch-lyrischer Mischform, der mit dem Selbstmord Fausts in weltschmerzlicher Verzweiflung endet. Es folgten die Versepen „Savonarola“ und „Die Albigenser“, wo Lenaus Sympathien für die freiheitlichen Bestrebungen des Jungen Deutschlands zum Ausdruck kommen. Weiters wurden ein zweiter Gedichtband und die „Ziska“- Romanzen veröffentlicht.
Der 1839 erwogene Plan, die Sopranistin Karoline Unger zu heiraten, scheiterte.
Lenau reiste in den folgenden Jahren ständig zwischen Wien, Stuttgart und dem Salzkammergut hin und her. Seine Aufenthalte im Ausseerland sind für die Jahre 1839 bis 1841 nachgewiesen. So schrieb er in einem Brief am 14. März 1840 an Emilie von Reinbeck: „Hier noch ein kleines Gedicht, welches ich im Sommer 1839 in ein Fremdenbuch zu Aussee geschrieben“. Das erwähnte Gedicht „See und Wasserfall“ erschien unter dem Namen „Der Altaussee-See und der Waldbachstrub“ am 17. März 1840 in der „Wiener Zeitschrift für Kunst, Literatur und Mode“. Sophie von Löwenthal vermerkte zu dem Gedicht: „Mit dem See war der Altaussee gemeint und das Gedicht schrieb Niembsch bei unserem dreitägigen Aufenthalt in Aussee im Wirtshaus zu den drei Hackeln ins Fremdenbuch.“
Am 19. Juli 1840 schrieb Lenau an Sophie, dass er Aussee bald wieder verlassen werde, da sich der Ort auf den Besuch Erzherzog Johanns vorbereitet und er nicht die nötige Ruhe für seine Arbeit fände. „Gleichwohl hab ich in Aussee bereits eine ganze neue Szene gedichtet.“ Und gegen Ende des Briefes weiter: „Aussee bleibt mir das Schönste. Gestern tat ich allein einen Spaziergang, den ich nie vergessen werde.“
Am 29. Juli 1840 berichtete er seinem Freund Max von Löwenthal von seinem zehn tägigen Aufenthalt in Aussee, den er, „die Erzherzogereien abgerechnet“, sehr genossen habe. „Das Wetter war größtenteils gut, die Gegend von unerschöpflicher Schönheit. (…) Das hat Gott selbst gemacht.“
Im Sommer 1841 besuchte Lenau abermals das Ausseerland und berichtete: „In Aussee hab ich zwei Almerinnen singen gehört. (…) Welche Stimmen! Eine schwindelnde Höhe, wie die der steyrischen Felsen, eine Reinheit wie die der Alpenluft, und eine süße Stärke, gleich jener des steyrischen Weins. Es war herrlich.“
Aus seinen Briefen und Aufzeichnungen sowie Korrespondenzen seiner Freunde und anderer in Aussee verweilender Künstler geht hervor, dass Lenau engen Kontakt zu den Einheimischen pflegte, meist im Ramgut abstieg und das Bärenmoos sowie ein Plateau in Reitern, den späteren „Lenau-Hügel“, zu seinen Lieblingsplätzen zählte.
Im Sommer 1844 verlobte sich Lenau ein weiteres Mal, diesmal mit der Frankfurter Bürgermeisterstochter Marie Behrends. Doch im September 1844 erlitt Lenau einen Schlaganfall und in weiterer Folge kam es zum Ausbruch einer durch progressive Paralyse bewirkten Geisteskrankheit. Anfangs wurde Lenau in der Heilanstalt Winnenthal bei Stuttgart untergebracht, drei Jahre später wurde der bereits unheilbar Kranke in die Heilanstalt Wien-Oberdöbling überführt, in der er am 22. August 1850 verstarb. Nikolaus Lenaus Ehrengrab befindet sich am Friedhof Weidling bei Klosterneuburg.