İlköğrenimini İstanbul Vefa Özel Şemsülmaarif adlı bir okulda tamamladı. Vefa İdadisi (Vefa Lisesi) ardından da Mülkiye Mektebi'nde öğrenim gördü. Çocukluğundan beri sanata düşkünlüğü olan Nazmi Ziya, Sanayi-i Nefise Mektebi Ali'si (Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi)'nde öğrenimi sürdürmek istedi. Ancak ailesi onun bu isteğine karşı çıktı. Resim öğretmeni amcası Binbaşı Hasip'ten ders aldığı öğrenilince engellendi. 1901 yılında Mülkiye Mektebi'nden mezun oldu. Aynı yıl babasının ölümü üzerine kendi kararını verebilecek duruma gelince 1902 yılında Sanayi-i Nefise'mektebi'ne kaydoldu. Ancak, okulda Osman Hamdi Bey yönetiminde Salvatore Valery, Varniya ve Osgan Efendi gibi hocaların verdikleri eğitime uyum sağlamada ciddi sıkıntılar yaşadı. Ders aldığı ve manzara (Peyzaj) resimleriyle tanınan Hoca Ali Rıza'nın Hertürlü etkiden kaçınması ve sadece doğaya yönelmesi konusundaki telkinleri akademideki uyumsuzluğun nedenleri arasında sayılabilir.
Akademide öğrenciyken, İstanbula gelen ve kendisi ile tanışma fırsatı bulduğu Fransız Neo-Empresyonist ressam Paul Signac'ın etkilerini değerlendirecek yeterli veri bulunmamaktadır. Etkiler hangi kaynaktan gelirse gelsin; sanatçının daha akademide öğrenci iken eğitimi verilen sanat anlayışıyla ciddi bir çatışma yaşadığı anlaşılmaktadır. Nitekim: Eğitim kurallarına uymadığı gerekçesiyle hocası Valery tarafında şikayet edildi. 1907 öğretim yılı diploma sınavında resimleri Osman Hamdi Bey tarafından beğenilmeyerek mezuniyeti bir yıl gecikti.
1908 yılında mezun olan sanatçı aynı yıl kendi olanaklarıyla Paris'e gitti. Burada kısa bir süre Academie Julian'da Marcel Bachet ve Royer'in atölyesinde çalıştıktan sonra Ecole National Supérieur'da eğitimini sürdürdü. Cormonn'un atölyesindeki çalışmalarından artta kalan serbest zamalarında açık havada resim yaparak zamanını değerlendirdi. Bu arada Hoca Ali Rıza'nın kimseden etkilenmemesi yönündeki, hayatı boyunca sadık kaldığı öğüdünü aklının bir köşesinde tutarak müzeleri gezmekten geri kalmadı.
1911 yılında atölye arkadaşı olan Fransız asıllı Marcel Chevalier ile evlenen sanatçı, yurt dışında bulunduğu süre içerisinde aynı zamanda Almanya ve Avusturya'yı ziyaret etti. 1914 yılında yurda döndü. Hemen ardından İzmir Muallim Mektebi Müdürlüğü ve İstanbul İl Tedrisat Müfettişliği gibi görevlerde bulundu. Bu sırada savaşın nefesi tüm Avrupa'da hissedilmektedir. Mütareke yıllarında ailesinin geçimini sağlayabilmek için arkadaşlarıyla Çamlıca'da tavuk çiftliği kurmak ve kunduracılık yapmak gibi girişimlerde bulundu.
1918 yılında Sanayi-i Nefise Mektebi'ne Müdür oldu. 1921'e kadar süren müdürlüğünün ardından 1925 yılında iki yıl daha müdürlük görevinde bulundu. 1909 yılında kurulan, ilk adıyla Osmanlı Ressamlar Cemiyeti, sonraki adıyla Güzel Sanatlar Birliği içerisinde yer alıp onların 1916 yılından itibaren her yıl düzenli olarak gerçekleştirdikleri sergilere katıldı. Nazmi Ziya, Akademi'deki hocalığı ve devletten aldığı resmi siparişleri yerine getirmekten arta kalan zamanlarında doğayla başbaşa kalarak açık havada manzara resimleri üretmeye devam etti.
Kişisel sergilerin son derece sınırlı olduğu bu dönemde sanatçı, ancak 1937 yılında Akademi'de düzenlenen kapsamlı sergi sayesinde bu imkânı bulabildi.
Resim, heykel, tezyini sanatlar, afiş ve tarihte Karagöz konulu beş ayrı bölümden oluşan serginin resim bölümü sadece sanatçıya ayrıldı. Büyük bir heyecanla çalışmaya koyuldu, resimlerini o sıcak yaz günlerinde kendi elleriyle taşıdı, 300'e yakın resmini yerleştirmek ve asmakla titiz bir şekilde uğraştı. Bu heyecan ve yorgunluk, 17 Ağustos 1937 günü açılan ve 35 yıllık sanat hayatını ortaya koyan büyük bir sergiyle sonuçlandı. Ancak, aynı zamanda sanatçının bitkin düşmesine yol açtı. Sergi henüz kapanmadan 11 Eylül 1937 tarihinde gelen bir kalp krizi ölümüne neden oldu.