Пиросмани родился предположительно в 1862 году в селе Мирзаани (Кахетия) в крестьянской семье, четвёртый и последний ребёнок (брат Георгий, сёстры Мариам и Пепуца). В 1870 году умер отец, вскоре после этого мать и старший брат. Нико Пиросмани, единственный из семьи, остался жить в селе Шулавери у последней работодательницы отца, вдовы бакинского фабриканта Эпросине Калантаровой. В семье Калантаровых с перерывами провёл около пятнадцати лет, сначала в Шулавери, потом вместе с сыном Эпросине Георгием Калантаровым в середине 1870-х годов переехал в Тифлис. Научился читать по-грузински и по-русски, но не получил никакого формального образования. Несколько месяцев был в обучении ремеслу в типографии, затем ушёл оттуда и жил в доме Элизабед Ханкаламовой (сестры Калантаровых), затем у её брата. Предположительно в 1876 году на короткое время возвращался в Мирзаани к сестре и работал пастухом.

Понемногу учился живописи у странствующих художников, расписывавших вывески лавок и духанов. В середине 1880-х годов вместе с художником Гиго Зазиашвили, также самоучкой, в Тифлисе открыл мастерскую декоративной росписи. По легенде, первую вывеску Пиросманашвили и Зазиашвили выполнили бесплатно, а других заказов не получили. В 1890 году поступил на работу тормозным кондуктором на железной дороге. Неоднократно был оштрафован за различные нарушения, и 17 января 1894 года уволился по собственному желанию. Выходное пособие вложил в молочную торговлю, и вместе с компаньоном Димитрой Алугишвили открыл молочную лавку, для которой нарисовал две вывески «Белая корова» и «Чёрная корова». Сам, однако, особенного интереса к торговле не проявил, многократно покидал лавку, ездил в Мирзаани к родственникам. В конце 1890-х годов Алугишвили выдавал ему по рублю в день на проживание. Примерно в 1900 году закончил занятия торговлей и начал зарабатывать себе на жизнь живописью.

В той среде, в которой Пиросманашвили находился, он имел устойчивую репутацию психически нестабильного человека, с которым невозможно иметь дело. Отчасти этому способствовали его утверждения, что он видит святых, а его кисть «пишет сама». Основные эпитеты в его адрес звучали удручающе: «Семь пятниц на неделе», «Не от мира сего».

С 1895 года активно занимался живописью, создавая вывески для торговых заведений и декоративные панно. По большей части писал красками собственного изготовления на клеёнке.

Материала не было, и Пиросман начал писать на том единственном, что находилось всегда под рукой в каждом, даже самом дешевом духане, — на простой клеенке, снятой со столика.

Клеенки были черные и белые. Пиросман писал, оставляя там, где это было нужно, незакрашенные куски клеенки.

Потом он применил этот прием и для портретов. Впечатление от некоторых вещей, сделанных в такой манере, было необыкновенным.

Как художник до 1912 года не имел никаких контактов с представителями художественного мира Тбилиси. До конца жизни большую часть времени жил в полной нищете, ночевал в подвалах.

Летом 1912 года творчество Пиросмани заметили и начали пропагандировать футуристы, близкие к кругу Михаила Ларионова — братья поэт Илья и художник Кирилл Зданевичи, а также их друг, художник Михаил Лё-Дантю. Кирилл Зданевич приобрёл у Пиросмани большое количество картин, многие художник выполнил на заказ. 10 февраля 1913 года Илья Зданевич опубликовал в газете «Закавказская речь» статью о творчестве Пиросманашвили под заглавием «Художник-самородок». 24 марта 1913 года в Москве на Большой Дмитровке открылась выставка живописи художников-футуристов «Мишень», где, наряду с произведениями известных художников, в первую очередь Ларионова и Натальи Гончаровой, были выставлены и несколько картин Пиросмани, привезённые из Тбилиси Ильёй Зданевичем. В июле 1913 года в тифлисской газете «Закавказье» Е. К. Псковитинов напечатал ещё одну статью о Пиросмани. Одновременно творчеством Пиросмани заинтересовались молодые грузинские художники Давид Какабадзе и Ладо Гудиашвили, а вернувшийся после учёбы в Германии Давид Шеварднадзе начал собирать коллекцию его произведений.

В августе 1914 году после начала войны в Российской Империи был введён сухой закон. Положение Пиросмани, существенной частью дохода которого было изготовление вывесок для питейных заведений, существенно ухудшилось.

5 мая 1916 года в мастерской Кирилла Зданевича в Тифлисе прошла однодневная выставка произведений Пиросманашвили. Она имела относительный успех, и в 1916 году было решено пригласить Пиросманашвили во вновь созданное Общество грузинских художников. Он стал относительно популярен, всё более широкая публика в Тифлисе стала интересоваться его живописью и собирать его картины. Это, впрочем, почти не сказалось на финансовом состоянии художника.

Нико Пиросмани скончался в Тифлисе 5 мая 1918 года от голода и болезни. Он провёл три дня в подвале дома 29 на Молоканской улице. Обнаружив, его отвезли в больницу, где художник через полтора дня скончался. Местонахождение его могилы неизвестно, предположительно - общая могила для бедняков на Кукийском кладбище.

Легенды о знакомстве Пиросманашвили с классиком грузинской поэзии Важа Пшавелой и о влиянии последнего на поэтическое творчество художника (Пиросманашвили действительно писал стихи, не дошедшие до нас), а также о его отвергнутой любви к актрисе Маргарите (история, ставшая сюжетом песни «Миллион алых роз»), пока не имеют вещественных документальных подтверждений, что, впрочем, можно объяснить тем, что при жизни его им просто не придавалось какого-либо значения.

Наибольшие собрания работ Пиросманашвили находятся в Государственном музее искусства народов Востока и в Третьяковской галерее (экспозиция на Крымском валу) в Москве, а также в Государственном музее искусств Грузии в Тбилиси. В 1982 году в селе Мирзаани был учреждён дом-музей художника.