جایی که پدرش به عنوان فقیهی اثنی‌عشری [مشهور] بود. خواجه تحصیلاتش را در نیشابور به اتمام رساند. شکی در این نبود که یک انسان دوراندیش با توجه به تسخیر پکن توسط چنگیزخان مغول در 1215 نقل‌مکان کند. توجه چنگیز به کشورهای اسلامی معطوف شد و در سال 1220 به حوالی طوس رسید.
در حدود سال 1227 حاکم اسماعیلی نصیرالدین عبدالرحیم محکم‌ترین قلعه کوهستانی در خراسان را به خواجه پیشنهاد داد. خواجه معروف‌ترین اثرش (اخلاق ناصری) را پیش از آنکه برای اقامت‌کردن در الموت دعوت شود به او تقدیم کرد. در الموت در دوران امام جدید، علاءالدین محمد، از عقیده اسماعیلی حمایت کرد (حکومت اسماعیلی در 1090 با فتح الموت توسط حسن صباح آغاز شد و با سقوط این شهر توسط مغولان در سال 1256 پایان یافت). خواجه در طول این مدت در زمینه کلام اسماعیلیه (التصورات)، در منطق (اساس‌الاقتباس) و در ریاضیات (تحریرالمجسطی) را به نگارش درآورد.
با سقوط الموت توسط هلاکوخان (نوه چنگیزخان) در سال 1256، خواجه بلافاصله پست مشاور علمی مغولان را پذیرفت ( او با رغبت تمام مشغول کار برای آنها شد و این موجب وجود تهمت‌هایی شد مبنی بر اینکه تغییر مذهب او به اسماعیلیه ظاهری بوده و همان‌طور شایعه‌هایی مبتنی بر اینکه او سیستم دفاعی شهر را تسلیم دشمن کرده است). او با یک مغول ازدواج کرد و مسئولیت وزارت به او سپرده شد.
این موضوع که خواجه‌نصیر، مغولان را در تسخیر بغداد (1258) همراهی کرده هنوز بحث‌‌‌برانگیز است. او با استفاده از اعتقاد هلاکو به اختربینی، حمایت او را در ساخت یک رصدخانه خیلی خوب در مجاورت پایتخت او در مراغه (در آذربایجان امروزی) به سال 1259 جلب کرد که در سال 1262 به پایان رسید. هلاکو گذشته از یک رصدخانه، یک کتابخانه فوق‌العاده نیز مهیا ساخت و موسسه خودش را با دانشمندان اسلامی و چینی مجهز ساخت. هزینه اینها با یک وقف تامین شد.
تحقیقات در این موسسه حداقل تا 25سال بعد از فوت خواجه‌نصیر ادامه یافت و برخی ادوات نجومی آن به طرح‌های بعدی در سمرقند (ازبکستان امروزی) الهام بخشید.خواجه‌‌نصیرالدین طوسی به صورت بسیار استثنایی‌ای مرد دانش بود. او در حدود 150کتاب به عربی، فارسی و ترکی نوشت و شروح روشنی به عربی بر آثار اقلیدس، ارشمیدس، بطلمیوس، اتولیکوس و تئودوسیوس تنظیم کرد. او همچنین گام‌های اساسی‌ای در ریاضیات و نجوم برداشت.
کتاب «زیج ایلخانی» او مبتنی بر تحقیقات رصدخانه مراغه و در بردارنده جدول حرکات نجومی است. شاید تاثیرگذارترین کتاب خواجه در غرب «تذکره فی علم الهیات» بوده باشد که در آن یک رسم هندسی را توضیح می‌دهد؛ مبنی بر اینکه برای امتداددادن یک خط مستقیم از یک نقطه روی دایره، خط به نوسان داخل دایره می‌شود. این سازوکار امروزه به عنوان جفت طوسی شناخته می‌شود. خواجه به واسطه این سازوکار که تولید سیستمی است که در آن تمام افلاک حرکت دایره‌وار متحدالشکل دارند، توانست در احیای مدل‌های نجومی بطلیموسی موفق شود.
اغلب مورخان تاریخ نجوم اسلامی معتقدند مدل‌های نجومی که در مراغه توسعه یافتند راه خود را در اروپا (گویی از طریق بیزانس) ادامه دادند. امروزه «تجریدالاعتقاد» خواجه که رساله‌ای در کلام شیعه به حساب می‌آید بسیار مورد احترام قرار می‌گیرد. او به تمام شاخه‌های معارف اسلامی یاری ارزشمندی رساند و تحت لوای او در مراغه، ریاضیات، علم هیئت، فلسفه و کلام، حیات دوباره یافت. خواجه نصیرالدین طوسی در مشرق‌زمین یک حکیم بی‌بدیل به شمار می‌رود.
دانشنامه بریتانیکا