Nombrado cardenal diácono de San Nicolás por el papa Inocencio IV, pasó a ejercer como protector de los franciscanos en el pontificado de Alejandro IV e inquisidor general con Urbano IV.
Elegido Papa gracias a la influencia de su poderosa familia, su breve pontificado se caracterizó por sus intentos de reforzar la posición de la Iglesia frente a los príncipes europeos.
Ese mismo año promulgó un constitución por la que se estableció que los senadores y funcionarios municipales debían ser elegidos exclusivamente entre ciudadanos romanos.
Las profecías de san Malaquías se refieren a este papa como Rosa composita (La rosa compuesta), cita que hace referencia a que en su escudo de armas aparece una rosa y al hecho de que fue apodado "el compuesto".
Dante, en la Divina comedia, colocó a Nicolás III en la tercera bolsa del octavo círculo del Infierno, donde se castiga la simonía, y aprovecha la ocasión para augurar al papa Bonifacio VIII un destino similar en el Infierno, así como a Clemente V, todos miembros de la familia Orsini.