Во время Первой мировой войны Нимёллер был командиром подводной лодки, получил медаль «За заслуги».
После войны посвятил себя изучению богословия и в 1924 году был посвящён в духовный сан. В 1931 году назначен пастором в богатый приход в берлинском районе Далем. Нимёллер придерживался твёрдых националистических и антикоммунистических убеждений, поэтому поддержал приход к власти Гитлера.
Однако, к 1937 году стало очевидно, что Гитлер не собирается терпеть «засилие религии», и на протестантскую церковь начались серьёзные гонения. Не избежал их и Нимёллер. Тогда он меняет своё отношение к Гитлеру и открыто — в отличие от большинства церковнослужителей — выступает с критикой фюрера. Он стал одним из лидеров Исповедующей церкви. «Больше мы не можем хранить молчание, повеленное человеком, когда Господь велит нам говорить. Мы должны повиноваться Господу, а не человеку!», — заявил Нимеллер на проповеди 27 июня 1937 года в Берлине, ставшей для него последней.
Нимёллер был арестован, и 3 марта 1938 года чрезвычайный суд по государственным преступлениям обвинил Нимёллера в «скрытых нападках» на государство и приговорил его к 7 месяцам заключения в специальной тюрьме для должностных лиц и штрафу в 2000 марок за «злоупотребление проповеднической деятельностью и сбор прихожан в церкви».
Однако на свободу Нимёллер так и не вышел, несмотря на то, что уже провел восемь месяцев в предварительном заключении (то есть больше назначенного срока). Гитлер был взбешен мягкостью приговора и заявил, что Нимёллеру «следует сидеть до тех пор, пока он не посинеет», а всему составу суда пригрозил наказанием. Сразу после освобождения Нимёллер подвергся «превентивному аресту» гестапо.
Нимёллер был заключён в лагеря, сначала в Заксенхаузен, а затем в Дахау. В 1945 году был освобождён войсками союзников.
Нимёллер неоднократно заявлял о признании вины за преступления нацистов, глубоко раскаивался в своих первоначальных убеждениях. Широко известно стихотворение Мартина Нимёллера «Когда они пришли…», переведённое на десятки языков:
Точный текст этих слов был подтвержден женой Нимёллера.
В послевоенные годы Нимёллер известен не только как деятель протестантской церкви, но и как борец за мир и разоружение. После беседы с Отто Ханом в 1954 году он активно выступал против гонки вооружений и ядерного оружия. В 1952 году он побывал в Москве, а в 1967 году — посетил Северный Вьетнам, где встретился с Хо Ши Мином. В 1961 году возглавил Всемирный совет церквей.