Nació en Portugal el 24 de junio de 1360, muy probablemente en Cernache do Bomjardin. Era hijo ilegítimo de Álvaro Gonçalves Pereira, caballero de la Orden Hospitalaria de San Juan de Jerusalén, y de Iria Gonçalves do Caravalhal. Cerca de un año después de su nacimiento, fue legitimado por decreto real y pudo recibir la educación caballeresca típica de los hijos de las familias nobles de su tiempo. A los trece años entró a formar parte de los pajes de la reina Leonor; acogido en la corte, pronto fue nombrado caballero. A los dieciséis años, por voluntad de su padre, se casó con una joven viuda rica, doña Leonor de Alvim. De su unión nacieron tres hijos, dos varones, que murieron prematuramente, y una niña, Beatriz, que después se casó con Alfonso, primer duque de Braganza, hijo del rey Juan I.
Cuando murió el rey Fernando, sin herederos varones, el 22 de octubre de 1383, su hermano Juan luchó por la corona lusitana contra el rey de Castilla, que se había casado con la hija del rey difunto. Nuno tomó partido por Juan, el cual lo escogió como su condestable, es decir, comandante en jefe del ejército. Nuno llevó el ejército portugués a la victoria en varias ocasiones hasta la batalla de Aljubarrota, 14 de agosto de 1385, con la que concluyó el conflicto.
Las capacidades militares de Nuno estaban templadas por una espiritualidad sincera y profunda. Su amor a la Eucaristía y a la Virgen María constituían los ejes de su vida interior. Asiduo a la oración mariana, ayunaba en honor de María los miércoles, los viernes, los sábados y en las vigilias de sus fiestas. Participaba diariamente en la misa, aunque sólo podía recibir la Eucaristía en las festividades mayores. El estandarte que eligió como insignia personal llevaba las imágenes de Cristo crucificado, de María y de los santos caballeros Santiago y Jorge. Hizo construir a costa suya numerosas iglesias y monasterios, entre los cuales el convento del Carmen de Lisboa y la iglesia de Santa María de la Victoria, en Batalha.
Cuando murió su mujer, en 1387, no quiso volver a casarse y fue ejemplo de vida casta. Al establecerse la paz, donó a los veteranos gran parte de sus bienes, a los que renunció totalmente en 1423, cuando entró en la Orden de Hermanos de la Bienaventurada Virgen del Monte Carmelo, en el convento que él mismo había fundado. Tomó el nombre de fray Nuno de Santa María. Impulsado por el Amor abandonó las armas y el poder para revestirse de la armadura espiritual recomendada por la Regla del Carmelo. Así cambió radicalmente su vida, coronando el camino de fe auténtica que siempre había seguido.
Hubiera querido retirarse a una comunidad lejos de Portugal, pero el hijo del rey, don Duarte, se lo impidió. Sin embargo, nadie pudo prohibirle que se dedicara a la limosna en favor del convento y sobre todo de los pobres: organizó para ellos una distribución diaria de alimentos. A pesar de sus grandes títulos -Condestable del rey de Portugal, Comandante en jefe del ejército, Fundador y bienhechor del convento...- no quiso privilegios; eligió el rango más humilde: fraile donado, y se dedicó completamente al servicio del Señor, de María y de los pobres, en los que veía el rostro mismo de Jesús.
Murió, significativamente, el domingo de Pascua, 1 de abril de 1431. Inmediatamente se difundió su fama de santidad. El pueblo comenzó a llamarlo «el santo condestable». Esa fama aumentó con el tiempo. En 1894 se introdujo el proceso para el reconocimiento de su culto «ab immemorabili» -desde tiempos inmemoriales-, que se concluyó el 23 de diciembre de 1918 con el decreto Clementissimus Deus del papa Benedicto XV. El 3 de julio de 2008, el Santo Padre Benedicto XVI dispuso la promulgación del decreto sobre el milagro para su canonización, y fue canonizado el 26 de abril de 2009 en la Plaza de San Pedro.
Puede estudiarse su vida en la Chronica do Condestavel (1526), obra clásica de la literatura portuguesa, y fuente primaria para conocer al santo. Además está la biografía por J. P. de Oliveira Martins, A Vida de Nuno Alvares (1893) y las biografías de Ruy Chianca (1914), E. Battaglia (1918), y V. A. Cordeiro (1919). En algunos santorales figura como muerto el 1 de noviembre, dato que también recoge el decreto de confirmación de culto; ver AAS 10 (1918), pág. 102ss., pero parece más bien ser una confusión con una fecha de traslado de reliquias en 1755. Un ciclo de conferencias en el Instituto de Cultura Europea y Atlántica de Portugal aborda, en 2004, muchos aspectos de la vida del santo