La famille Lémery appartient à la noblesse de robe normande. Son père, Julien Lémery, né en 1589 à Rouen et mort le 18 mai 1657 dans cette même ville, est procureur au Parlement de Normandie. Les Lémery sont de religion protestante et leur progéniture compte sept enfants dont le dernier fils Nicolas .
Après des études rigoureuses au collège protestant de Quevilly, Nicolas entre en apprentissage en 1660 chez son oncle Pierre Duchemin, épicier apothicaire patenté à Rouen. L'élève en pharmacie est recommandé en 1666 au vieux maître Christophe Glaser (1615-1672) apothicaire ordinaire de Louis XIV et démonstrateur de chimie au Jardin du Roi à Paris. Le jeune chimiste trouve vite le maître impérieux, dur voire cruel. De plus, l'enseignement mystérieux, presqu'ésotérique, le rebute. Il décide de voyager par dépit et se retrouve charmé en Languedoc, puis attiré par la villle à grande réputation médicale et pharmacienne de Montpelier.
De 1668 à 1672, Nicolas est pensionnaire d'Henry Verchant, maître apothicaire à Montpellier dans l'île du Puits des Esquilles au Sixain Sainte Croix. Il débute avec succès sa fonction de démonstrateur auprès de maître Verchant. Le jeune professeur de chimie donne très vite des leçons de chimie aux étudiants en médecine et même à quelques professeurs de faculté, intrigués par l'art du jeune chimiste.
De retour à Paris en 1672, le professeur essaie de poursuivre ses cours et se fait connaître auprès des sociétés savantes, en particulier celle des apothicaires actives au Jardin des Plantes. Un succès inespéré est au rendez-vous. Une vogue inouïe d'intérêt et d'enthousiasme pour la chimie secoue la société française. Les sociétés savantes sont débordées et en panne de conférencier talentueux. Nicolas Lemery est invité à donner son cours au Jardin des Plantes. C'est le premier professeur de sa discipline à parler avec simplicité et clarté, en français. Il illustre une science sage, sait rester réservé de tout ce que promet l'art, et n'implique la chimie que dans ce qu'elle peut tenir assurée. De prestigieux auditeurs, tels le Grand Condé et Tournefort, ne manquent pour rien au monde le cours du jeune pharmacien. Selon Fontenelle, « les Dames mêmes entraînées par la mode, avaient l'audace de venir se montrer à des assemblées si savantes ».
Nicolas Lémery rachète le 18 septembre 1674 la charge d'apothicaire privilégié d'Antoine Régnier décédé. Il ouvre alors une officine et un laboratoire dans les caves d'une maison à l'enseigne de la Porte dorée située rue Galande près de la place Maubert. Il y donne aussi des cours à un public nombreux et choisi, avide de voir enfin révélés les secrets de la chimie. Installé, il peut dans le calme rédiger un cours de chymie publié en 1675.
Il se marie en janvier 1676 avec Madeleine Bellanger, fille de François Bellanger, bourgeois de Paris. Le couple a six enfants. Nicolas vit surtout de la fabrication de médicaments rémunérateurs.
En 1681, les familles protestantes commencent à être inquiétées. La pouvoir royal souhaite écarter les coreligionnaires protestants de la profession d'apothicaire. Nicolas Lémery envoit sa famille en sécurité en Angleterre. Mais une fois ses ressources épuisées, il est contraint de vendre sa boutique de la rue Galande. Il la céde le 6 février 1683 à Jean Fradin, maître apothicaire à l'Hôtel Dieu de Paris, puis il démissionne de sa charge d'apothicaire le 23 avril 1683 au profit de Denis Machuraux.
Après un bref séjour en Angleterre, il regagne la France avec sa famille. On le retrouve vers la fin de l'année 1683 à l'Université de Caen où il se fait recevoir docteur en médecine. De retour à Paris il vit pauvrement en exerçant la médecine, mais la Révocation de l'Édit de Nantes, le 18 octobre 1685, interdit aux protestants l'exercice de la médecine et de la pharmacie. Désormais il n'a plus aucun espoir.
Des amis catholiques constatent la misère où s'enfonce jour après jour la famille nombreuse de Nicolas Lémery, dépité. Ils s'engagent à lui trouver une charge digne de son art. Ils le décident au début de l'année 1686 d'abjurer civilement sa foi avec femme et enfants et de reprendre ainsi tous ces droits. Le 8 avril 1686, Louis XIV lui montre sa royale considération, et, en égard à ses talents, lui accorde de nouvelles lettres patentes qui lui permettent d'ouvrir à la fin de l'année une nouvelle boutique d'apothicaire et un laboratoire de chimie au bas de la rue Saint-Jacques près de la fontaine Saint-Séverin. Ensuite, ainsi que le rapporte son discret ami Fontenelle « Les jours tranquilles revinrent, et avec eux les écoliers, les malades, le grand débit des préparations chimiques, tout cela redoublé par l'interruption. »
Après le renouvellement de l'Académie royale des sciences par Louis XIV, le 20 janvier 1699, il est nommé associé chimiste le 28 janvier de la même année, puis pensionnaire chimiste le 23 novembre 1699 à la mort de Claude Bourdelin. En 1712, le sexagénaire est nommé directeur, mais gravement malade, il est contraint de démissionner le 6 mars 1715. Il reçoit alors le titre de pensionnaire vétéran. Il meurt le 19 juin 1715 dans sa maison de la rue Saint-André des Arts qu'il occupe depuis le mois de décembre 1693, et où il a installé boutique et laboratoire.
