Cha ông là tú tài Nguyễn Tuy làm nghề dạy học. Mẹ ông họ Phạm, người làng Dị Sử (nay thuộc xã Dị Sử cùng huyện). Gia đình ông có 6 người con, 2 gái, 4 trai. Nguyễn Thiện Thuật là anh cả, trừ người em bị mất sớm, các em trai ông là Nguyễn Thiện Dương và Nguyễn Thiện Kế sau này cũng đều tham gia khởi nghĩa Bãi Sậy.
Năm 1870, Nguyễn Thiện Thuật đậu tú tài. Năm 1874, Nguyễn Thiện Thuật được triều đình nhà Nguyễn cử làm Bang biện do có công đánh giặc ở Kinh Môn, tỉnh Hải Dương. Năm (Bính Tý) 1876 ông tiếp tục dự kỳ thi nho học và đậu cử nhân. Sau đó Nguyễn Thiện Thuật được thăng chức Tri phủ Từ Sơn tỉnh Bắc Ninh.
Năm Kỷ Mão (1879), ông được bổ nhiệm giữ chức Tán tương quân vụ tỉnh Hải Dương (vì thế nhân dân thường gọi ông là Tán Thuật). Năm 1881, ông giữ chức Chánh sứ sơn phòng tỉnh Hưng Hóa kiêm chức Tán tương quân vụ tỉnh Sơn Tây. Ông làm quan thanh liêm, công minh và có tài cai trị.
Khi thực dân Pháp đánh chiếm Bắc Kỳ lần thứ hai năm 1882 – 1883, nhà Nguyễn đầu hàng, nhưng Nguyễn Thiện Thuật đã kháng lệnh triều đình nhà Nguyễn, ông cùng một số sĩ phu yêu nước trong tỉnh đứng lên mộ quân đánh giặc.
Đầu năm 1883, ông sang Đông Triều, tỉnh Quảng Ninh để chiêu mộ nghĩa quân và liên kết với Đinh Gia Quế, lập căn cứ ở Bãi Sậy để chống Pháp. Cuối năm 1883, sau khi ký hiệp ước Harmand, vua Tự Đức ra lệnh bãi binh ở Bắc Kỳ, nhưng Nguyễn Thiện Thuật kháng chỉ và lên Hưng Hóa, Tuyên Quang cùng với Nguyễn Quang Bích tiếp tục kháng chiến.
Năm 1884, thành Hưng Hóa thất thủ, ông rút lên thành Lạng Sơn phối hợp với Lã Xuân Oai, Tuần phủ Lạng Bình (Lạng Sơn, Cao Bằng) kháng Pháp, cho tới khi thành này thất thủ năm 1885, thì trốn sang Long Châu – Trung Quốc.
Tháng 7 năm 1885, vua Hàm Nghi hạ chiếu Cần Vương. Nguyễn Thiện Thuật trở về nước, hưởng ứng chiếu Cần Vương của Hàm Nghi, ông hăng hái đứng ra thống nhất các lực lượng chống Pháp ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, chọn Bãi Sậy (một cánh đồng lớn, lau sậy mọc um tùm, nằm giữa các huyện Văn Giang, Khoái Châu, Yên Mỹ và Mỹ Hào) làm căn cứ, tiếp tục sự nghiệp của thủ lĩnh Đinh Gia Quế (do thủ lĩnh Đinh Gia Quế đã mất). Do Nguyễn Thiện Thuật là viên quan tích cực hưởng ứng phong trào Cần Vương nhất ở Bắc Kỳ nên vua Hàm Nghi phong cho ông làm Bắc Kỳ Hiệp thống quân vụ đại thần, gia trấn Trung tướng quân, nên nhân dân còn gọi ông là quan Hiệp Thống.
Tại căn cứ Bãi Sậy, nghĩa quân có thể khống chế con đường giao thông thủy bộ chính ở đồng bằng và tỏa ra uy hiếp các tỉnh thành xung quanh đó. Tán Thuật đã áp dụng chiến thuật du kích, dựa vào sự ủng hộ của dân chúng, lúc ẩn lúc hiện, đánh úp đồn trại Pháp trên đường Hà Nội – Hưng Yên – Hải Dương – Hải Phòng, hay dựa vào địa thế sình lầy, lau sậy um tùm dễ tiến thoái của căn cứ, để chống Pháp càn quét vào Bãi Sậy.
Dưới sự lãnh đạo của Nguyễn Thiện Thuật, cuộc khởi nghĩa Bãi Sậy lan rộng ra khắp tỉnh Hưng Yên và một số tỉnh lân cận như: Hải Dương, Thái Bình, liên kết được với một số lãnh tụ Cần Vương khác như Tạ Hiện ở Thái Bình, Nam Định,… tạo thành cả một phong trào sâu rộng ở các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ suốt những năm 1885 – 1889. Một người Pháp đã nhận xét về ông như sau: “Những lãnh tụ của các cuộc khởi nghĩa chống Pháp đương thời thường ít quan tâm đến những hoạt động chính trị trong quần chúng nông dân. Chỉ có Tán Thuật là người đã cố gắng tập hợp quần chúng nông dân Bắc Kỳ vào cuộc đấu tranh dân tộc”.
Năm 1888, thực dân Pháp cho tên Việt gian Hoàng Cao Khải đem quân đàn áp. Tên việt gian Hoàng Cao Khải mượn danh vua Đồng Khánh dụ dỗ mua chuộc khuyên Nguyễn Thiện Thuật ra hàng và hứa khôi phục chức tước. Nguyễn Thiện Thuật đã viết vào tờ sớ dụ này 4 chữ “Bất khẳng thụ chỉ” (Không chịu nhận chỉ). Thấy tình thế khó khăn, Tán Thuật trao quyền chỉ huy cho em trai là Nguyễn Thiện Kế và tùy tướng là Đốc Tít (Nguyễn Đức Hiệu), rồi sang Trung Quốc tìm Tôn Thất Thuyết bàn cách tăng viện nhưng việc không thành. Ông mất vì bệnh ngày 25 tháng 5 năm 1926 và được an táng trên quả đồi thuộc hương Quan Kiều, ngoại vi thành phố Nam Ninh, tỉnh Quảng Tây (Trung Quốc). Bia mộ khắc dòng chữ “Việt Nam cách mạng. Cố tướng quân Nguyễn Công Thiện Thuật – Chi mộ”. Vào năm 1990, Việt kiều ở Trung Quốc đã di chuyển phần mộ Nguyễn Thiện Thuật từ đồi hương Quan Kiều về đồi hương Đại Lĩnh, phía nam thành phố Nam Ninh.
Ngày 30/1/2005, tỉnh Hưng Yên đã phối hợp với địa phương và dòng họ của lãnh tụ khởi nghĩa Bãi Sậy Nguyễn Thiện Thuật, đưa hài cốt của ông về an táng tại quê hương Xuân Dục, huyện Mỹ Hào. Cũng trong năm 2005, tỉnh Hưng Yên đã xây dựng nhà bia tưởng niệm Nguyễn Thiện Thuật trong khu di tích lăng mộ của ông gần với cây đề cổ thụ, vọng gác tiền tiêu của nghĩa quân Bãi Sậy năm xưa.

TTTTXTDLHY