Cụ thân sinh có nghề làm thuốc gia truyền, hơn người chút chữ nghĩa nên luôn định hướng con cái học tập. Quả thật, cả mấy anh em đều nên nghiệp nhờ có học. Anh cả Nguyễn Nghĩa Thào là giáo viên, em út Nguyễn Nghĩa Tư là đại tá, Tổng biên tập tạp chí Hậu cần (đã nghỉ hưu). Bản thân ông cũng sớm vững vàng vào đời với vốn chữ nghĩa và đặc biệt là chút “hoa tay”. Năm 1961 ông nhập ngũ, có hoa tay nên được bố trí công tác tại cơ quan tuyên huấn Cục Công binh làm các việc trang trí mĩ thuật. Do nhu cầu nhiệm vụ, đầu năm 1964 ông được cử đi học lớp vẽ 4 tháng ở trường nghệ thuật Quân đội. Đó là cơ duyên đưa ông dấn thân lâu dài với nghiệp bút lông mực màu. Tại đây ông được học và làm quen với các họa sĩ giảng dạy ở trường Cao đẳng Mỹ thuật Việt Nam. Ngay sau khi học xong khóa vẽ ngắn hạn này ông lại được chọn vào học lớp Đồ họa 18 tháng do Trường nghệ thuật Quân đội và Trường cao đẳng Mĩ thuật Việt Nam phối hợp tổ chức để bổ sung cho chiến trường. Lớp học tại Trường cao đẳng Mĩ thuật, có 12 học viên gồm một số ở lớp vẽ trước và một số đã học xong trung cấp mĩ thuật. Phụ trách lớp là họa sĩ Nguyễn Thụ và họa sĩ Hoàng Trầm.
Tháng 12-1965 chiến sĩ làm công tác mĩ thuật Nguyễn Nghĩa Duyện cùng các bạn lớp Đồ họa lên đường vào nam công tác. Tại chiến trường ông được cử về làm tại báo Quyết thắng của quân khu Sài Gòn - Gia Định.
Bác Hồ đi chiến dịch, sơn khắc Nguyễn Nghĩa Duyện.
Năm 1974 ông được về làm ở quân khu Tả Ngạn và thi đỗ hệ chính quy trường Đại học Mĩ thuật Việt Nam. Quân đội giải quyết chính sách cho ông chuyển ngành đi học. Năm 1979 học xong ông được giữ lại trường giảng dạy tại khoa Đồ họa. Ông đã hoàn thành tốt công tác sư phạm, từ giảng viên thường được bổ nhiệm chức Phó khoa năm 1984, chức Trưởng khoa năm 1987 tới lúc nghỉ hưu, do đó ông đã vinh dự được nhà nước phong tặng danh hiệu Nhà giáo ưu tú năm 1998.
Bên cạnh công tác giảng dạy, họa sĩ Nguyễn Nghĩa Duyện còn luôn cháy bỏng đam mê sáng tạo nghệ thuật. Là người trưởng thành từ thực tế công tác nên ông có quan điểm nghệ thuật rõ ràng là nghệ thuật phải gắn với đời sống xã hội. Đề tài sáng tác là phong cảnh quê hương đất nước, là hoạt động công tác, chiến đấu của dân tộc. Hình thức thể hiện cũng đa dạng như: Tranh khắc gỗ, tranh khắc kẽm, tranh khắc cao su, tranh in đá, tranh in độc bản… Ông có biệt tài về thể loại tranh sơn khắc, thể hiện được tìm tòi và có bản sắc riêng, vừa tiếp thu sử dụng nền đen truyền thống, vừa có sự sáng tạo hoán chuyển lấy màu nền đen làm hình trên nền sáng. Những tác phẩm mĩ thuật tiêu biểu của ông có thể kể ra như các tác phẩm: “Bác Hồ đi chiến dịch”, “Bác Hồ dừng chân bên suối”, “Bên giếng nước”, “Trên đường ra trận”, “Hồ Gươm ngày hội hòa bình” (sơn khắc); “Bác Hồ đi công tác”, “Nữ dân quân Nam Ngạn”, Hà Nội năm 1946”, “Thăng Long - Hà Nội”, “Chợ quê xưa”, “Xuân xưa ngoại thành (khắc gỗ); “Mẹ giải phóng quân”, “Miền quê Kinh Bắc” (khắc kẽm); “Ra đồng” (in đá); “Hội Phù Đổng” (lụa)… Với vẻ đẹp nổi trội về tạo hình và giàu sự biểu cảm nghệ thuật, tranh của họa sĩ Nguyễn Nghĩa Duyện được giới mĩ thuật ghi nhận với hàng chục giải thưởng toàn quốc và khu vực, được lưu giữ tại bảo tàng Mĩ thuật Việt Nam và nhiều văn phòng sang trọng.
Hồ Gươm ngày hội hòa bình, sơn khắc Nguyễn Nghĩa Duyện.
Với những cống hiến nhiệt huyết của bản thân cho nghệ thuật phục vụ đất nước, họa sĩ Nguyễn Nghĩa Duyện đã vinh dự được nhận nhiều phần thưởng cao quý của Nhà nước như Huân chương kháng chiến chống Mĩ hạng nhì, Huân chương chiến sĩ giải phóng hạng nhì, Huân chương Lao động hạng ba… Vinh dự lớn lao là đầu năm 2012 ông đã được trao tặng Giải thưởng Nhà nước về văn học nghệ thuật.
Một điều đáng kể nữa với họa sĩ Nguyễn Nghĩa Duyện, là bên cạnh việc đào tạo hàng trăm họa sĩ trẻ cho đất nước, ông còn đào tạo nên “một gia đình nghệ thuật” khá đặc biệt. Con cháu ông nối nghiệp có gần chục người như Nguyễn Dậu, Nguyễn Thị May, Nguyễn Nghĩa Phương, Nguyễn Nghĩa Cương, Nguyễn Nghĩa Sơn, Lê Lạng Lương…