Jacob és Johann Bernoulli unokaöccse. Apja, akit ugyancsak Nicolaus-nak hívtak, festő volt. 1704-ben diplomázott a baseli egyetemen Jacob Bernoulli tanítványaként. 1716-tól 1719-ig a matematika professzora volt Padovában. 1722-ben visszatért szülővárosába, a baseli egyetemen jogot és logikát tanított. Részt vett nagybátyja, Jacob művének, az Ars conjectandi-nak kiadásában. Matematikai eredményei főképen más tudósokkal folytatott levelezésében maradtak fenn. Legfontosabb eredményeit a differenciálegyenletek, az integrálszámítás, a geometria, és a valószinűségszámítás területén érte el. Ő fogalmazta meg az ún. szentpétervári paradoxont, amellyel a család más tagjai, így Daniel és Nicolaus II Bernoulli is foglalkoztak.