L'éclipse solaire de 1748 lui fait une impression profonde; et après avoir terminé ses études au Trinity College à Cambridge il est déterminé à se consacrer à l'astronomie. Il devient intime avec James Bradley en 1755 et en 1761 il est délégué par la Royal Society pour observer le transit de Vénus à Sainte-Hélène. Durant ce voyage, il expérimente aussi la méthode de la distance lunaire -- l'écart angulaire de la position la Lune à divers moment -- pour les mesures de longitudes.
En 1765, il succède à Nathaniel Bliss comme astronome royal, poste qu'il occupe pendant 46 ans jusqu'à sa mort en 1811. Sa première contribution est A Proposal for Discovering the Annual Parallax of Sirius (Une proposition pour la détermination de la parallaxe de Sirius) publiée en 1760 dans les Philosphical transactions de la Royal Society. Dans la même série de publication, paraissent ses observations sur le transit de Vénus de 1761 et 1769, les marées à Sainte-Hélène (1762), des observations astronomiques variés effectués sur la même île et à la Barbade.
En 1763, il publie British Mariner's Guide (Guide des marins britanniques). Ce guide inclus la suggestion de calculer à l'avance la distance lunaire dans une forme accessible aux navigateurs pour les aider dans les calculs de longitude. Ce calcul est un problème central de la navigation maritime au XVIII siècle. Cette proposition voit le jour sous la forme du Nautical Almanac dont le premier exemplaire, valable pour l'année 1767, paraît en 1766. Nevil continue durant le reste de sa vie à superviser l'édition de cet almanach.
Il convainc son gouvernement de publier ses observations annuellement. Avec l'aide d'un seul assistant, le travail à l'observatoire royal de Greenwich est méthodiquement organisé et exécuté. Il introduit aussi plusieurs améliorations pratiques tel que la mesure du temps en dixième de secondes et le remplacement de plusieurs instruments de mesures par des versions plus perfectionnées.