1908년 일본 마쓰에 시(松江市)에서 태어났다. 1932년 나가사키(長崎) 의과대학을 수석으로 졸업한 뒤 대학에 남아 방사선 연구에 매달렸다. 군의관으로 징병되어 만주 전쟁터에서 위문품 속에 들어있던『공교요리(公敎要理)』를 읽고 귀환 후, 우라가미(浦上) 천주교회에서 가톨릭 세례를 받았다. 방사선 장애로 인한 백혈병으로 시한부 생명을 이어가던 1945년 8월 9일, 나가사키에 떨어진 원폭으로 사랑하는 아내를 잃고 그 자신도 중상을 입었다. 그런 처지에서도 깊은 신앙심에서 우러난 박애 정신으로 이재민들을 돌보았으며, 의학적 관심을 넘어서는 박사의 노력은 나가사키 시의 문화와 도시 복구, 더 나아가 세계 평화에 관한 깊은 성찰로 이어졌다. 하지만 병마를 떨치지 못한 박사가 몸져눕자 1949년에는 교황이 길로이 추기경을 특사로 파견해 문병하는 한편, 헬렌 켈러 여사가 방문하기도 했다.

나가사키 시에서는 같은 해 12월, 그에게 영원한 '명예시민'이라는 칭호를 바쳤다. 1951년 5월 1일에 세상을 떠났지만, 평화를 그리는 박사의 절절한 바람은 그가 남긴 글을 통해 세계인들의 가슴에 남아 있으며, 나가사키 현과 시에서는 '나가이 다카시 기념 나가사키 평화상'을 제정, 방사선 피해자들의 복지와 치료에 공헌한 사람들에게 수여하고 있다. 저서에는 『이 아이들을 남겨두고』『꽃 피는 언덕』『생명의 강』『촌의(村醫』『평화의 탑』『여기당(如己堂) 수필』『나가사키의 종(鍾)』『사랑스런 아이여』『로사리오의 기도』등이 있다.