Ông nội là một nhà nho dạy học, cha bà cũng là một ông đồ nho đức độ, có tình thương người, hết lòng thương yêu con cái, luôn chăm chút cho gia đình, được mọi người kính trọng. Mẹ bà là một người phụ nữ hiền thục, hết lòng vì chồng con và tốt bụng với bà con hàng xóm. Sống trong một gia đình nho giáo như vậy nên bà sớm ảnh hưởng những đức tính tốt đẹp từ gia đình.
Lúc còn nhỏ bà là một người sáng dạ, năm lên 6 tuổi, cha bà đã cho bà tham gia học chính thức. Được người cha tận tình dạy bảo, uốn nắn nên bà không những học giỏi mà còn viết chữ rất đẹp. Càng học bà càng mê đọc sách, vì vậy, mới ít tuổi mà bà đã đọc hết những cuốn sách: Tứ thư, Ngũ kinh... Thấy con ham học lại thông minh cha bà mướn người dạy luôn cho bà những kiến thức về nghề y và nghề dược. Đến năm 13 - 14 tuổi, bà đã hiểu rõ lịch sử nước nhà, biết làm thơ và bốc thuốc chữa bệnh cứu người.
Sinh ra tại quê hương có nghề dệt chiếu lâu đời nên bà không những dệt được những manh chiếu đẹp mà còn tự mang chiếu đi bán khắp nơi. Khi giặc Minh tràn sang, cả gia đình bị tàn sát, bà đành ở lại Thăng Long để làm nghề bán chiếu.
Ở Thăng Long, bà đã gặp Nguyễn Trãi. Trong gặp gỡ lần đầu tiên, Nguyễn Trãi đưa ra mấy câu thơ:
Ả ở nơi đâu bán chiếu gon
Chẳng hay chiếu ấy hết hay còn
Xuân xanh phỏng độ bao nhiêu tuổi
Đã có chồng chưa được mấy con.
Bà liền ứng khẩu ngay:
Tôi ở Hải Hồ bán chiếu gon
Chuyện chi ông hỏi hết hay còn
Xuân xanh vừa độ trăng tròn lẻ
Chồng còn chưa có hỏi chi con.
Sau lần gặp gỡ ấy, họ đã nên vợ nên chồng rồi cùng vào Lam Sơn tụ nghĩa. Tại Lam Sơn, bà luôn là trợ thủ đắc lực của Nguyễn Trãi trong mọi công việc.Với đức tính đôn hậu, bà đã chăm sóc Ức Trai rất mực. Những lúc thư nhàn, hai người lại ngắm cảnh, xướng hoạ, làm thơ.
Biết được Nguyễn Thị Lộ có tài thơ văn, đức độ lại là người có nhan sắc, vua Lê Thái Tông phong làm Lễ nghi học sỹ và mời bà vào triều để chăm lo việc dạy các cung nhân và có trách nhiệm thay mặt vua và hoàng hậu quản lý mọi việc trong cung. Ở cương vị của mình, bà soạn thảo và cho chấn chỉnh phong tục từ trong cung ra đến ngoài triều như: xin Chỉ dụ của vua cho mở mang nền học vấn dân tộc, khuyến khích phụ nữ học chữ Thánh hiền...
Không chỉ là một nhà giáo, Nguyễn Thị Lộ còn là một nhà thơ (tuy nhiên văn thơ của bà đã bị thất truyền). Chỉ còn lưu truyền mấy vần thơ xướng hoạ cùng với Nguyễn Trãi và một bức Hình thư gửi Nguyễn Trãi nhưng tên tuổi của bà cũng đã gắn liền với nền văn học nước nhà, trở thành một giai thoại văn học và có công không nhỏ vào việc nước, việc dân thời ấy.
Thật không may, khi vua Lê Thái Tông băng hà đột ngột, những kẻ hiềm khích vợ chồng Bà nhân cơ hội dựng lên vụ án Lệ chi viên. Bà là tội nhân chủ chốt bị vu cáo trong vụ án này và bị giết vào ngày 16/4/1442 cùng chồng và ba đời gia quyến của Nguyễn Trãi.
Tháng 12/2002, lần đầu tiên, một Hội thảo khoa học về Lễ nghi học sỹ Nguyễn Thị Lộ đã đánh giá về tài năng đức độ và có cái nhìn khách quan về công lao đóng góp của bà, “Tôn vinh Bà như một nữ sỹ tài hoa, một nhà giáo nữ sớm nhất được biết tên, văn chương và phẩm hạnh tuyệt vời, người bạn đời tâm đầu ý hợp của danh nhân văn hoá, anh hùng dân tộc Nguyễn Trãi. Hơn nữa, chính bà đã cùng chồng cứu sống mẹ con hoàng phi Ngô Thị Ngọc Dao và hoàng tử Tư Thành, tức đã bảo vệ cho đất nước một minh quân lỗi lạc của văn hoá Đại Việt : Hoàng đế Lê Thánh Tông”.
