Перший період його життя пов'язаний з Кухістаном[ru]. У 1235—1256 рр. жив у фортеці Аламут, столиці держави ісмаїлітів-асасинів. У 1256 р. був особистим радником монгольського завойовника Хулагу-хана, онука Чингисхана, котрий зробив його придворним астрологом. У 1258 р. ат-Тусі брав участь в поході Хулагу на м. Багдад і вів переговори з халіфом про капітуляцію. Протягом багатьох років ат-Тусі був радником Хулагу з фінансових питань і розробив проєкт податкової реформи, що був здійснений одним з наступників ільхана.
Заснував в 1259 р. найбільшу у той час у світі обсерваторію в м. Мераге, поблизу Тебриза. Вона була устаткована численними інструментами нової конструкції, найбільшим з яких був квадрантрадіусом 36 м. У обсерваторії під керівництвом ат-Тусі працювали багато відомих учених сходу, в ній було зібрано багато рукописів. Підсумком 12-річних спостережень мерагінських астрономів з 1259 р. до 1271 р. були «Ільханські таблиці» («Зидж Ільхані»), складені самим ат-Тусі. У цій праці містилися таблиці для обчислення положення Сонця і планет, зоряний каталог, а також перші шестизначні таблиці синусів і тангенсів з інтервалом 1'. На підставі спостережень зірок ат-Тусі дуже точно визначив величину прецесії земної осі (51,4"). Мерагінська обсерваторія припинила існувати в першій чверті XIV ст.
