İstanbul’da Fatih’te doğdu. Trabzonlu Alemdarzâde ailesinden ve Osmanlı devri mutasarrıflarından İlyas Sâmi Bey’in oğludur. İlk Osmanlı mebuslarından ve basılı bir divan sahibi olan dedesi Hilmi Efendi devrinin tanınmış şairlerindendi. Babasının da bilhassa vatanî şiirler kaleme aldığı bilinmektedir. Nihad Sâmi önce Somyarkın, daha sonra Banarlı soyadını aldı.
Nihad Sâmi, İstiklâl Lisesi’nden sonra İstanbul Dârülfünunu Edebiyat Fakültesi Edebiyat Bölümü ile birlikte Yüksek Muallim Mektebi’ni bitirdi (1930). Aynı yıl Edirne Erkek Lisesi’ne edebiyat öğretmeni olarak tayin edildi. Ayrıca Edirne Kız ve Erkek Muallim mekteplerinde edebiyat dersleri verdi. 1939’da Kabataş Erkek Lisesi’ne, 1943’te Galatasaray Lisesi’ne, 1946’da İstanbul Erkek Öğretmen Okulu’na, iki sene sonra da İstanbul Eğitim Enstitüsü’ne tayin edildi. Bu vazifelerine ek olarak Boğaziçi, Şişli Terakki ve Işık liseleri gibi çeşitli okullarda ders verdiği gibi 1959’dan 1962’ye kadar İstanbul Yüksek İslâm Enstitüsü’nde İslâmî Türk edebiyatı dersini okuttu. İstanbul Eğitim Enstitüsü ile Yüksek Öğretmen Okulu müdürlüğünü yaptı, 1969’da kendi isteğiyle emekli oldu. Öğretmenliğinin yanı sıra 1955’te üye olduğu İstanbul Fetih Cemiyeti’ne bağlı İstanbul Enstitüsü’nün ve aynı yıl kurulan Yahya Kemal Enstitüsü’nün müdürlüğüne seçildi (1958). Her iki enstitünün yayın çalışmalarını yürüttü. Millî Eğitim Bakanlığı “1000 Temel Eser” ve “Çağdaş Türk Yazarları” komisyonlarında görev aldı. Kubbealtı Cemiyeti bünyesinde 1971’de çalışmaya başlayan Dil ve Edebiyat Akademisi’nin edebiyat dalı başkanlığını ve aynı kuruluşun 1972’den itibaren yayımladığı Kubbealtı Akademi Mecmuası’nın müdürlüğünü yaptı. Yeni ve çok hacimli bir şekil verdiği Resimli Türk Edebiyâtı Târihi adlı büyük eserinin telif ve baskısını tamamlamaya çalışmakta iken 13 Ağustos 1974’te vefat etti. Mezarı Rumelihisarı’ndadır.
Nihad Sâmi Banarlı yakın dostu olduğu Yahya Kemal’in büyük bir kısmı yayımlanmamış olan şiirlerinin, onu ikna ederek, 1956-1957 yılları arasında Hürriyet gazetesinde neşrini sağladı. Bu yayım sırasında isimleri dahil tertip ve baskı şekline kadar şiirlerin kitap halinde basımı konusunda da Yahya Kemal ile birlikte çalıştı. Ancak daha ilk kitabın baskısına geçilmeden 1958’de Yahya Kemal vefat edince bu çalışmaları tek başına sürdürdü. İstanbul Fetih Cemiyeti bünyesinde bir Yahya Kemal Enstitüsü kurulmasını gerçekleştirdi (1958). Bu enstitüye şairin mirasçıları tarafından devredilmesinde rolü olduğu evrak ile eşyayı tasnif ve tertip etti; ayrıca Yahya Kemal Müzesi’ni ve arşivini kurdu (1960). Yahya Kemal’in yayımlanmış ve yayımlanmamış bütün şiir ve yazılarını titiz bir çalışma sonunda 1961’den itibaren kaliteli bir baskı ile on kitaplık bir külliyat halinde yayımladı. Ayrıca iki cilt halinde Yahya Kemal Enstitüsü Mecmuası’nı çıkarttı (1959, 1968). Bu çalışmalarıyla ve aynı konuda yazdığı diğer yazılarla Banarlı, bilhassa Yahya Kemal’in Türk edebiyat ve fikir hayatındaki yerini almasına büyük ölçüde yardımcı olmuştur.