Ông sinh ngày 11 tháng 12 năm 1930 tại Huế, Thừa Thiên, miền Trung Việt Nam, trong một gia đình khá giả. Cha ông nguyên là một Công chức trung cấp tùng sự tại Chi nhánh Hỏa xa ở Huế. Thời niên thiếu, ông học phổ thông các cấp ở Huế. Năm 1951, ông tốt nghiệp Trung học chương trình Pháp tại trường Khải Định với văn bằng Tú tài toàn phần (Part II). Sau đó ông thi lên Đại học, là sinh viên năm Dự bị Đại học Y khoa Sài Gòn.

Cuối tháng 9 năm 1951, thi hành lệnh động viên, ông nhập ngũ vào Quân đội Quốc gia (thành phần trong Quân đội Liên Hiệp Pháp), mang số quân: 50/600.198. Theo học khóa 1 Lê Văn Duyệt tại trường Sĩ quan Trừ bị Thủ Đức, khai giảng ngày 1 tháng 10 cùng năm. Ngày 1 tháng 6 năm 1952, mãn khóa tốt nghiệp với cấp bậc Thiếu úy. Ra trường, ông được đi phục vụ ở Tiểu đoàn 62 Việt Nam với chức vụ Trung đội trưởng. Thời gian phục vụ ở đơn vị này, ông được theo học lớp Huấn luyện Biệt kích. Mãn khóa Biệt kích, ông được chuyển nhiệm vụ sang Lực lượng Xung kích. Hạ tuần tháng 12 cùng năm, ông trúng tuyển vào Binh chủng Không quân.

Đầu năm 1953, ông sang Pháp thụ huấn khóa Huấn luyện Hoa tiêu Khu trục tại trường Võ bị Không quân Salon de Provence. Đầu năm 1955 mãn khóa về nước, ông được thăng cấp Trung úy chỉ huy Phi đội trong Phi đoàn Vận tải ở Tân Sơn Nhất.

Tháng Giêng năm 1956, sau một thời gian từ Quân đội Quốc gia biên chế vào Quân đội Việt Nam Cộng hòa, chuyển sang đơn vị tác chiến, ông giữ chức vụ Phi đội trưởng trong Phi đoàn 1 Khu trục ở Biên Hòa do Đại úy Huỳnh Hữu Hiền làm Chỉ huy trưởng đầu tiên. Đầu năm 1957, ông được thăng cấp Đại úy giữ chức vụ Chỉ huy phó Phi đoàn 1 Khu trục.

Giữa năm 1958, chuyển ra Duyên hải miền Trung, ông đảm nhiệm chức vụ Chỉ huy trưởng Phi đoàn 2 Quan sát tại Nha Trang thay thế Đại úy Nguyễn Hữu Tần.

Ngày Quốc khánh Đệ Nhất Cộng hòa 26 tháng 10 năm 1959, nhận lệnh bàn giao chức vụ Chỉ huy trưởng Phi đoàn 2 Quan sát lại cho Đại úy Võ Công Thống. Cùng ngày ông được thăng cấp Thiếu tá chuyển về Bộ Tư lệnh Không quân để giữ chức vụ Tham mưu phó. Tháng 6 năm 1960, ông được cử vào chức vụ Chỉ huy trưởng Trung tâm Kiểm soát Không chiến.

Đầu tháng 11 năm 1963, tham gia cuộc đảo chính Tổng thống Ngô Đình Diệm (1 tháng 11).

Ngày 3 tháng 11, ông được thăng cấp Trung tá và được cử làm Tham mưu trưởng Không quân, thay thế Đại tá Đỗ Khắc Mai lên làm Tư lệnh Binh chủng thay cho Đại tá Huỳnh Hữu Hiền bị Hội đồng Quân nhân Cách mạng buộc giải ngũ. Trung tuần tháng 12 cùng năm, ông bàn giao chức vụ Tham mưu trưởng lại cho Trung tá Phạm Long Sửu, cùng ngày ông được cử giữ chức vụ Tư lệnh phó Không quân, do Đại tá Nguyễn Cao Kỳ làm Tư lệnh.

Đầu năm 1965, trong chiến dịch “Mũi Tên Lửa” (Flaming Dart). Ngày 11 tháng 2, ông chỉ huy các Phi tuần Bắc phạt A.1E Skyraider vượt qua vĩ tuyến 17 để oanh tạc các doanh trại của quân Bắc Việt tại Chánh Hòa, Hà Tĩnh và Chấp Lễ, Quảng Bình. Tiếp đến vào ngày 2 tháng 3, ông chỉ huy hai Phi đội A.1E bay ra oanh tạc căn cứ Hải quân Bắc Việt tại Quảng Khê, Quảng Bình.

Ngày Quân lực 19 tháng 6 năm 1965, Quân đội Việt Nam Cộng hòa được cải danh thành Quân lực Việt Nam Cộng hòa, ông được chuyển về Bộ Tổng Tham mưu để giữ chức vụ Giám đốc Nha An ninh Quân đội thuộc Tổng cục Chiến tranh Chính trị thay thế Đại tá Trang Văn Chính.

Ngày Quốc khánh Đệ Nhị Cộng hòa 1 tháng 11 cùng năm, ông được thăng cấp Đại tá tại chức.

Ngày 29 tháng 4 năm 1966, biệt phái sang Bộ nội vụ ông được bổ nhiệm chức vụ Tổng Giám đốc Tổng Nha Cảnh sát Quốc gia, thay thế Đại tá Phạm Văn Liễu.

Ông vẫn kiêm nhiệm chức vụ Giám đốc Nha An ninh Quân đội thêm 2 tháng, cho đến ngày 24 tháng 6 bàn giao Nha này lại cho Đại tá Vũ Đức Nhuận để kiêm thêm chức vụ Đặc ủy trưởng Trung ương Tình báo Quốc gia nhưng ngay sau đó bàn giao chức Đặc ủy trưởng cho Trung tướng Linh Quang Viên đương nhiệm Tổng trường Nội vụ kiêm nhiệm.

Ngày Quốc khánh 1 tháng 11 cùng năm, ông được thăng cấp Chuẩn tướng tại tại chức...

Cũng trong năm 1966, ông được Thiếu tướng Nguyễn Cao Kỳ, Thủ tướng Chính phủ, Chủ tịch Ủy ban Hành pháp Trung ương cử ra miền Trung bình định vụ Biến động Phật giáo trong cuộc bạo động ly khai, được xem là có sự hậu thuẫn của tướng Nguyễn Chánh Thi Tư lệnh Quân đoàn I và Vùng 1 Chiến thuật. Do thành công trong cuộc bình định, ông được xem như là cánh tay mặt của tướng Kỳ.

Giữa năm 1967, ông được làm Trưởng đoàn, hướng dẫn Phái đoàn công du thăm viếng Nam Hàn.

Trong sự kiện Tết Mậu Thân 1968, tướng Nguyễn Ngọc Loan đã cầm súng bắn thẳng vào đầu một tù binh đặc công Việt Cộng với hai tay đang bị trói, tại Thị Nghè (có tài liệu nói là trên đường Lý Thái Tổ, Ngã Bảy, Sài Gòn). Vụ việc được ký giả Eddie Adams nhanh tay chụp được. Cùng lúc ấy, phóng viên đài ABC của Úc là Neil Davis cũng quay phim rất rõ ràng.

Vụ việc được ký giả Eddie Adams nhanh tay chụp được. Bức ảnh của Eddie Adams ngay lập tức đã lên trang nhất các báo quốc tế, làm xôn xao dư luận, gây sốc cho nhiều người trên thế giới, làm đẩy mạnh Phong trào phản chiến ở Mỹ. Nó trở thành một trong những hình ảnh được nhớ tới nhiều nhất của cuộc Chiến tranh Việt Nam và giúp Adams giành được giải Pulitzer trong năm 1969 về chụp hình tin tức tại chỗ.

Chỉ bốn tháng sau sự kiện Saigon Execution, ngày 5/5/1968 Quân Bắc Việt lại mở cuộc tổng công kích lần thứ hai. Lần này, Tướng Loan cùng với lực lượng Cảnh Sát tiếp tục chiến đấu ngoài đường phố Sài Gòn. Ông bị trọng thương ở chân trên cầu Phan Thanh Giản, tức đường Điện Biên Phủ ngày nay. Tướng Nguyễn Ngọc Loan bị thương và được Quân Cảnh Mỹ đưa đi cấp cứu (General Nguyễn Ngọc Loan was wounded and carried by American Military Police to Ambulance).

Sau đó, Tướng Loan được chở sang Úc chữa trị, nhưng vì bị công luận Úc phản đối, nên ông lại được chuyển sang bệnh viện Walter Reed Army Medical Center ở Washington, DC., Hoa Kỳ. Nhưng thật đau đớn cho Tướng Loan, các dân biểu ‘phản chiến’ tại Quốc hội Hoa Kỳ vào lúc đó cũng phản đối. Tướng Loan bị cắt cụt chân phải (Gen.Loan, whose right leg had been amputated), trở về Sàigòn với đôi chân khập khiễng.

Ngày 3 tháng 6 cùng năm, ông được thăng cấp Thiếu tướng. Bốn ngày sau (ngày 7 tháng 6), ông bàn giao chức vụ Tổng Giám đốc Tổng Nha Cảnh sát Quốc gia lại cho Đại tá Trần Văn Hai (nguyên Chỉ huy trưởng Biệt động quân).

Tháng 12 cùng năm, ông chuyển sang Bộ Quốc phòng với chức vụ Chánh Thanh tra. Đầu năm 1969, ông được cho giải ngũ và được hưởng chế độ phụ cấp dành cho tướng lĩnh về hưu.

Ngày 30 tháng 4 năm 1975, Tướng Loan và gia đình đến lập nghiệp ở thành phố Springfield, tiểu bang Virginia, Hoa Kỳ. Ông mở một tiệm bán bánh pizza mang tên Pháp là ‘Les Trois Continents’ (Ba Đại Lục). Đã có lần, Eddie Adams đến tiệm pizza này thăm Tướng Loan. Khi nhắc đến tấm hình oan nghiệt năm xưa, Tướng Loan không hề nói một lời oán trách tác giả tấm hình. Ông còn an ủi Adams: “Ông làm nhiệm vụ của ông, tôi làm nhiệm vụ của tôi. Chỉ có thế thôi!” Chính vì câu nói này, Adams càng thêm mến phục Tướng Loan và họ đã trở thành đôi bạn tri kỷ.

Năm 1991, tướng Loan phải đóng cửa tiệm pizza, vì một số dân địa phương đã nhận diện được ông. Có kẻ đã vào nhà vệ sinh của tiệm và viết lên tường một câu khiếm nhã: “We know who you are” (Chúng tao biết mày là ai).

Thiếu Tướng Nguyễn Ngọc Loan đã qua đời lúc 20 giờ ngày 14/07/1998 vì bệnh ung thư tại Burke, Virginia, thuộc vùng ngoại ô của Washington, D.C, thọ 68 tuổi. Ông để lại vợ, bà Mai Chính, 5 người con.

Sau khi tướng Loan chết, nhà báo Eddie Adams đã gửi lời viếng và bày tỏ sự ân hận vì những tác động của bức ảnh lên cuộc sống của ông sau này: “Người này là một anh hùng. Nước Mỹ đáng lẽ phải tiếc thương ông ta. Tôi rất tiếc là đã để cho ông ta ra đi như thế này, trong khi người ta không hề biết một chút gì về ông ta cả”.

Nhà báo Eddie Adams đã gửi thư tới viếng và bày tỏ sự ân hận vì những tác động của bức ảnh lên cuộc sống của tướng Loan sau này.

Eddie Adams không cho rằng việc bắn chết tù binh là hành động đúng, nhưng ông thông cảm cho nỗi dằn vặt mà tướng Loan phải chịu đến khi chết.

Eddie Adams nói: “Ông ấy chiến đấu cho cuộc chiến của chúng ta (người Mỹ), không phải cuộc chiến của họ (người Việt). Vậy mà mọi điều nhục nhã lại đổ trên đầu con người này. Nước Mỹ đáng lẽ phải tiếc thương ông ta. Tôi rất tiếc là đã để cho ông ta ra đi như thế này, trong khi người ta không hề biết một chút gì về ông ta cả. Bức ảnh này đã thực sự làm đảo lộn cuộc sống của ông ta. Ông không bao giờ đổ lỗi cho tôi. Ông nói với tôi nếu tôi không chụp bức ảnh này, thì người khác cũng sẽ chụp thôi, nhưng tôi đã cảm thấy áy náy trước ông và gia đình ông trong một thời gian dài.

Tôi đã giữ liên lạc với ông ta. Lần cuối cùng chúng tôi nói chuyện với nhau là cách đây khoảng sáu tháng, khi bệnh tình của ông ấy đã rất nặng rồi.

Khi hay tin ông mất, tôi đã gửi hoa chia buồn”. Trong các vòng hoa phúng điếu có vòng hoa của ông Eddie Adams, trên đó có đính kèm danh thiếp ghi dòng chữ bằng tiếng Anh: “General: I’m so…sorry. Tears in my eyes” (Thưa Thiếu tướng, tôi rất ân hận. Lệ đã tràn đầy mắt tôi).

Bản điếu văn chia buồn của ông Eddie Adams sau đó được tuần báo Time đăng tải vào ngày 27 tháng 7 năm 1998. Sáu năm sau đó, vào ngày 12 tháng 9 năm 2004, ông Eddie Adams cũng từ trần, hưởng thọ 71 tuổi.