דיין נולד בשנת 1946 בתל אביב, להורים שעלו מחלב שבסוריה. משפחתו התגוררה תחילה על גבול יפו תל אביב, אך פונתה בזמן מלחמת השחרור לכפר ג'מאסין בצפון תל אביב (שכונת גבעת עמל ב'), ושם גדל[2]. למד בבית הספר "תיכון חדש" בתל אביב. מגיל צעיר התעניין בקולנוע, בהיותו חייל זכה בחידון קולנוע ארצי[3], וסייע למפיק וחובב הקולנוע ישעיהו ("שיש") קולר, שהחזיק אוסף פרטי של סרטים, לנהל את "מועדון הסרט הטוב" בתל אביב[4].
החל את דרכו הקולנועית בשנת 1972 כעוזר לבמאי דן וולמן בסרט "פלוך". בעידודו של וולמן החל באותה שנה לעבוד על סרטו הראשון "אור מן ההפקר". הסרט נוצר בהשראת שכונת העוני בה גדל ג'מוסין, בסגנון נאו-ריאליזם האיטלקי, כולל צילום בשחור-לבן. הוא צולם בשטח בשכונת שבזי, בשיתוף שחקנים לא מקצועיים אבל בעלי יכולת משחק טבעית, ביניהם כוכב הסרט נסים לוי[6]. את הסרט הפיק ומימן באופן חלקי יעקב אלקוב, איש עסקים, מפיק הוליוודי ונדבן שניהל את הקמת בית ציוני אמריקה בתל אביב[7]. אלקוב גייס מספר משקיעים ודיין לקח הלוואות כדי לממן את הפקת הסרט[8]. צילומי הסרט נערכו בשנת 1972[9], אך הוא יצא לאקרנים כשנה אחר כך לקראת מלחמת יום הכיפורים, שהדירה את הצופים מבתי הקולנוע והוא לא הצליח מסחרית[10].
בסוף שנת 1984 החל לביים הסרט "גשר צר מאד", על פי תסריט שכתב, המבוסס על סיפור קצר מאת חיים חפר, על אהבה בלתי אפשרי בין קצין במילואים בתפקיד תובע בממשל הצבאי ברמאללה לבין אלמנה פלסטינית נוצרייה[16]. רוב צילומי הסרט נערכו בעיר רמאללה[17]. הסרט יצא לאקרנים בנובמבר 1985[18].
בשנת 1987 רכש את הזכויות להפקת סרט על פי ספרו של גבריאל שטרסמן "המערוך" על פרשת רצח מלה מלבסקי[20]. אך שתי הרוצחות בפרשה פנו לבית המשפט וקיבלו צו מניעה ליצירת הסרט, בטענה שהוא יפגע בסיכוי הערעור שלהן[21].
עיקר עיסוקו של דיין במשך השנים הייתה פעולתו הענפה בתחום ביקורת ולימוד הקולנוע: בשנות ה-80 לימד מסלול ללימודי קולנוע ב"בית צבי" ובאוניברסיטת תל אביב[28], אחר כך לימד קולנוע בבית הספר סם שפיגל ובמוסדות לימוד אחרים, ביקורותיו התפרסמו בעיתונות וברדיו, והוא כיהן כלקטור בקרנות קולנוע שונות[29].
דיין היה נשוי לרחל (לבית ניימרק) (נולדה ב-1949), שחקנית תיאטרון, קולנוע וטלוויזיה, ששיחקה גם בשלושה מסרטיו ("אור מן ההפקר", "סופו של מילטון לוי" ו"גשר צר מאוד")[36].
בראשית 2023 נודע כי עבר אירוע מוחי וכי הוא מאושפז בבית-אבות.
תיקון טעות: נסים דיין לא עבר אירוע מוחי. הוא עבר אירוע לבבי בסוף 2019 ואושפז במכון הלב בתל השומר.