Urodził się 1 lutego 1950 w Starej Wsi koło Oświęcimia. W roku 1967 rozpoczął studia w Metropolitalnym Wyższym Seminarium Duchownym w Krakowie. Święcenia kapłańskie otrzymał z rąk bp. Juliana Groblickiego 20 maja 1973 w Kaniowie. Przez dwa lata pracował jako wikariusz w parafii pw. św. Elżbiety w Jaworznie-Szczakowej, a następnie w parafii pw. św. Małgorzaty w Raciborowicach. W 1976 uzyskał licencjat z teologii na Papieskim Wydziale Teologicznym w Krakowie. Rok później został skierowany na studia doktoranckie na Katolickim Uniwersytecie Lubelskim. W 1981 uwieńczył studia katechetyczne rozprawą doktorską Realizacja odnowy katechetycznej Soboru Watykańskiego II w archidiecezji krakowskiej napisaną pod kierunkiem ks. prof. dr. hab. M. Majewskiego.
Po zakończeniu studiów podjął pracę w Wydziale Katechetycznym Kurii Metropolitalnej w Krakowie i pomagał w duszpasterstwie w skawińskiej parafii pw. Miłosierdzia Bożego. (W 1999 władze Skawiny nadały biskupowi Nyczowi tytuł Honorowego Obywatela Miasta i Gminy Skawina). Przez sześć kolejnych lat wykładał też katechetykę na Papieskiej Akademii Teologicznej w Krakowie. W 1987 został wicerektorem krakowskiego seminarium duchownego. Funkcję tę sprawował zaledwie rok, gdyż 16 kwietnia 1988 papież Jan Paweł II mianował ks. Nycza biskupem pomocniczym metropolity krakowskiego i biskupem tytularnym Villa Regis. W chwili nominacji miał on zaledwie 38 lat. Jako dewizę biskupiego posługiwania przyjął słowa Ex hominibus, pro hominibus (Z ludu i dla ludu). Konsekracji na Wawelu przewodniczył 4 czerwca 1988 kard. Franciszek Macharski, współkonsekratorami byli abp Jerzy Ablewicz i abp Stanisław Nowak.
W latach 1988-2004 bp Nycz pełnił urząd wikariusza generalnego archidiecezji krakowskiej. Organizował trzy ostatnie pobyty Jana Pawła II w Krakowie podczas pielgrzymek Ojca Świętego, dzięki czemu dał się poznać jako dobry organizator.
9 czerwca 2004 Jan Paweł II mianował bpa Kazimierza Nycza biskupem diecezji koszalińsko-kołobrzeskiej. Ingres do katedry w Koszalinie nastąpił 7 sierpnia 2004. Biskupem koszalińsko-kołobrzeskim bp Nycz pozostawał aż do 2007 roku.
Od grudnia 2004 jest członkiem Rady Stałej Konferencji Episkopatu Polski. W Episkopacie pełni także funkcję przewodniczącego Komisji Rewizyjnej i członka Komisji Duszpasterstwa, Rady ds. Środków Społecznego Przekazu i Zespołu ds. Społecznych Aspektów Intronizacji Chrystusa Króla.
3 marca 2007 papież Benedykt XVI mianował biskupa Kazimierza Nycza arcybiskupem metropolitą warszawskim (ogłoszenie nominacji 25 marca 2007). Formalnego objęcia rządów w archidiecezji warszawskiej i ingresu do bazyliki archikatedralnej Św. Jana Chrzciciela w Warszawie Arcybiskup dokonał w Niedzielę Palmową 1 kwietnia 2007. Paliusz arcybiskupi otrzymał z rąk Ojca Świętego 29 czerwca 2007. W tym samym roku został mianowany ordynariuszem wiernych obrządku wschodniego w Polsce nie mających własnego biskupa. Biret kardynalski Kazimierz kard. Nycz odebrał z rąk Ojca Świętego Benedykta XVI 20 listopada 2010 roku w bazylice św. Piotra w Rzymie razem z 24. duchownymi. Nominacje kardynalskie Benedykt XVI ogłosił na zakończenie audiencji generalnej w środę, 20 października 2010. Dwa dni przed beatyfikacją Jana Pawła II kard. Kazimierz Nycz objął w Rzymie swój kościół tytularny. Bazylikę św. Sylwestra i Marcina ai Monti niedaleko Koloseum przydzielił mu papież Benedykt XVI, mianując go w listopadzie 2010 kardynałem. Kard. Nycz 29 kwietnia w tej świątyni odprawił Mszę świętą, która była duchowym przygotowaniem do beatyfikacji dla Polaków w Wiecznym Mieście.