Tsutomu Nihei wurde am 26. Februar 1971 in der Präfektur Fukushima, Japan, geboren. Sein architektonischer Hintergrund, den er in den USA an der Parsons School of Design in New York studierte, beeinflusste seinen künstlerischen Stil maßgeblich. Nach einer Tätigkeit im Baugewerbe kehrte er nach Japan zurück, um eine Karriere als Mangaka zu verfolgen, und arbeitete zunächst als Assistent für den Mangaka Tsutomu Takahashi.

Nihei gab sein professionelles Debüt mit dem One-Shot Blame, der 1995 den Jiro Taniguchi Special Prize im Afternoon Four Seasons Award gewann. Seine erste große Serie, Blame!, startete er 1997 im Kodansha-Magazin Monthly Afternoon. Die Serie, eine Science-Fiction-Erzählung, die in einer praktisch unendlichen und stark architektonisch geprägten Megastruktur angesiedelt ist, begründete seinen Ruf für einen unverwechselbaren Stil, der detaillierte, oft wortlose visuelle Erzählweise mit Cyberpunk- und postapokalyptischen Themen verbindet.

Nach Blame! schuf Nihei mehrere weitere Manga-Serien, darunter NOiSE (ein Prequel zu Blame!), Abara und Biomega. 2004 arbeitete er an Wolverine: Snikt!, einer fünfteiligen Limited Series für Marvel Comics, und beteiligte sich später am Halo Graphic Novel, als einziger japanischer Creator. Seine Arbeit Knights of Sidonia, die von 2009 bis 2015 serialisiert wurde, markierte eine Hinwendung zu einer stärker charaktergetriebenen Erzählweise und wurde seine kommerziell erfolgreichste Serie, die 2015 den Kodansha Manga Award in der Allgemeinen Kategorie gewann.

Niheis Werke wurden mehrfach als Anime adaptiert. Knights of Sidonia wurde ab 2014 als Anime-Fernsehserie adaptiert, und ein Kinofilm, Knights of Sidonia: Love Woven in the Stars, erschien 2021, wobei Nihei als Chef-Supervisor fungierte. Blame! wurde 2017 als Anime-Kinofilm adaptiert. Nihei war der Original Creator und Autor für das Original-Anime-Projekt Kaina of the Great Snow Sea, das 2023 als Fernsehserie startete und von einem Sequel-Film, Kaina of the Great Snow Sea: Star Sage, gefolgt wurde.

Ein wiederkehrendes Element in seinem Werk ist das Auftreten des fiktiven Unternehmens Toa Heavy Industries, das in mehreren Serien erscheint. Seine architektonische Ausbildung spiegelt sich konsequent in der Darstellung massiver, komplexer Strukturen und Umgebungen wider. Zu seinen künstlerischen Einflüssen zählen der französische Künstler Jean Giraud, bekannt als Moebius, der Schweizer Künstler H.R. Giger und Filme wie Blade Runner. 2016 erhielt Nihei einen Inkpot Award für seine Beiträge zu den Bereichen Comics und Science-Fiction.