Nicholas Ray estudià arquitectura amb Frank Lloyd Wright, del que aprengué el valor de la línia horitzontal, que després es convertiria en una marca distintiva en els seus films.
Va començar la seva carrera com a director amb Els amants de la nit (1948). Després va dirigir més de vint pel·lícules, entre elles Truqueu a qualsevol porta (1949), Nascuda per al mal (1950), Homes errants (1952), Mort en els pantans (1958) i 55 dies a Pequín (1963). Durant el rodatge d'aquesta última va sofrir un atac cardíac, la qual cosa va provocar una pausa en la seva carrera, que no es va reprendre fins a mitjan anys setanta. Va ensenyar art dramàtic en la Universitat Estatal de Nova York en Binghamton. Va influir en els directors Wim Wenders i Jim Jarmusc, i fou tot un heroi per als crítics del la nouvelle vague francesa.
Cinc de les seves pel·lícules es consideren obres mestres. In a Lonely Place (1950), un dels films de cinema negre més poètics i evocadors que s'han rodat, està protagonitzada per Humphrey Bogart , en el rol de guionista, i per Gloria Grahame, (esposa de Ray), com la dona que primer l'estima i després el confon. A Johnny Guitar (1954) i treballen Sterling Hayden com el vaquer més pacific de la història del cinema, Joan Crawford i Mercedes McCambridge. Bigger Than Life  (1956) es centra amb els problemes amb les drogues que té la classe mitjana. Amarga victoria (1957) és una història bel·lica sobre conflictes i esperances en el desert africà. Rebelde sin causa (1955), amb James Dean, parla de la delinqüència juvenil. A l'hora de dirigir als seus actors, crèia que la línia de sentiment i d'expressió d'un personatge devia ser la guia per a l'estructura de la seva pressa.
La seva mort en 1979 es retrata en el <<docudrama>> Relámpago sobre agua  (1980), que Wenders codirigió i completó.