Nagisa Ōshima passe sa jeunesse à Kyōto, auprès de sa sœur cadette et de sa mère, qui les élève seule après le décès de son époux en 1938. Accepté à l'université de Kyōto, il en sort diplômé en droit et politique en 1954. Cette même année il décide de se consacrer au cinéma après avoir assisté à une projection du film Le jardin des femmes de Keisuke Kinoshita. Il est reçu au concours d'assistant de réalisation aux studios de la Shochiku d'{{lien}} jusqu'en 1959, auprès notamment, de Masaki Kobayashi, Hideo Oba ou encore Yoshitaro Nomura. Il publie durant cette période des critiques cinématographiques qu'il axe sur la « nouvelle vague » franco-polonaise, la revue des assistants de la Shochiku publie également onze scénarios originaux signés de sa main. Toujours en 1959, soutenu par la compagnie, il tourne son premier film, Une ville d'amour et d'espoir ou le Garçon vendeur de colombes. Deux autres lui succèdent immédiatement : Contes cruels de la jeunesse (qui sort en salle au moment où des étudiants et des travailleurs encerclent la Diète pour protester contre la ratification du traité de sécurité américano-japonais) et l'Enterrement du soleil (1960).
Grâce à un style et des sujets qui amènent un vent de fraîcheur et de renouveau, ces films lui permettent de s'inscrire comme chef de file de la « nouvelle vague » (terme qu'il trouve ridicule) de la Shochiku avec Masahiro Shinoda et Yoshishige Yoshida. En 1960, son film Nuit et brouillard du Japon fait scandale en traitant du renouvellement du traité américano-japonais, de 1960 de ses nombreux impacts politiques et des événements violents qui en découlèrent. Tourné presqu'à l'insu de la compagnie, celle-ci le retirera de l'affiche après quatre jours. C'est à la suite de ces événements qu'Ōshima quittera la compagnie pour se lancer dans la production indépendante et dans des activités littéraires variées. En 1961 ses premières productions personnelles démarrent avec le Piège / une Bête à nourrir d'après l'œuvre éponyme de Kenzaburō Ōe.
À la fin de l'été 1972, en rentrant du Festival de Venise, Ōshima fait étape à Paris où le producteur Anatole Dauman lui propose de financer la réalisation d'un film érotique. Sitôt rentré au Japon, Nagisa Ōshima commence la préparation du tournage de Corrida de l'amour (qui prendra en France pour titre L'Empire des sens) racontant l'histoire véridique d'une prostituée nommée Sada Abe. À sa sortie, en 1976, le film fait scandale et est censuré par les autorités japonaises. Mais grâce à Anatole Dauman, il est présenté au Festival de Cannes 1976, lors de la Quinzaine des réalisateurs ; puis est distribué dans le monde entier où il obtient un très grand succès. Pourtant, en juillet 1976, la police perquisitionne dans les locaux de la maison d'édition San'ichi shobo et au domicile du cinéaste. Le livre L'Empire des Sens, comprenant le scénario du film et plusieurs photos de plateau, est saisi. L'éditeur Takemura Ajime et Nagisa Ōshima, accusés d'obscénité en vertu de l'article 175 du code pénal japonais, sont poursuivis par le Parquet. En décembre 1979, après 3 ans de procédures et 23 audiences, les deux accusés sont finalement relaxés.
En 1999, l'année de sortie de son dernier film, Tabou (Gohatto), Oshima affirme mettre fin à sa carrière pour cause de paralysie. Hospitalisé en 2012, il meurt d'une infection pulmonaire dans la banlieue de Tokyo, à l'hôpital de Fujisawa, le 15 janvier 2013. Il laisse dans son sillage une œuvre de quelque 50 courts-métrages, longs-métrages et téléfilms.