Nguyễn Hoàn là con trai thứ hai của Nguyễn Hiệu với bà Quận phu nhân Nguyễn Thị Huệ, quê gốc ở làng Lan Khê (sau đổi là Phương Khê), huyện Nông Cống, tỉnh Thanh Hóa (địa danh này nay thuộc làng Phương Khê, xã Nông Trường, huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa).[1] Ông sinh ngày 20 tháng 5 năm Quý Tỵ, niên hiệu Vĩnh Thịnh thứ 9 (1713) ở xứ Hàng Dầu, kinh thành Thăng Long. Thủa nhỏ, ông nổi tiếng là thông minh, hiếu học, nhiều thầy dạy khen ông là kỳ tài.
Năm Bính Tý (1756) trong vụ án Điển thân, vì tính nhân hậu, không nỡ kết tội nặng các tội nhân, nên ông bị quở trách và giáng xuống làm Hàn lâm Hiệu thảo. Tháng Chín năm Đinh Sửu (1757), ông giữ chức trách phúc khảo kỳ thi Sĩ vọng. Mùa Đông tháng 10 năm Mậu Dần (1758), Thế tử Trịnh Sâm được tấn phong làm Tiết chế các xứ thủy bộ chư quân, kiêm Chưởng chính cơ, Thái úy Tĩnh Quốc công mở phủ Lượng quốc. Lúc bấy giờ Giảng quan là Nguyễn Hoàn làm Thập châm (mười bài châm) dâng lên. Trịnh Sâm khen và nhận lấy.[3]
Tháng 5 năm Canh Dần (1770), ông giữ chức Đô ngự sử; Lê Quý Đôn, làm Phó Đô ngự sử, Vũ Miên làm Thiêm đô Ngự sử. Đến tháng Chín, ông được thăng lên làm Thượng thưbộ Công. Tháng Mười ông được chúa ban thế nghiệp điền 100 mẫu ở huyện Nông Cống (Thanh Hóa). Vì có công trong việc tu sửa và mở mang Văn Miếu - Quốc Tử Giám, nên tháng 11 năm sau, chúa Trịnh cho ông vào chầu Kinh diên (nơi vua đọc sách).
Tháng Giêng năm Ất Mùi (1775), Bồi tụng Nguyễn Hoàn tạm quyền làm lễ tế Đàn Nam Giao.[7] Đến tháng Năm, ông được phong tước Hoàn Quận công.[8] Vì trước đây, khi ông làm Tả tư giảng, Thế tử Trịnh Sâm có viết đùa mấy chữ Thượng thư, Quốc sư, Hoàn Quận công đưa cho Nguyễn Hoàn. Đến nay, ông đem những chữ ấy dâng lên. Chúa Trinh Sâm bèn ban cho tước này. Tháng Sáu cùng năm, chúa Trịnh Sâm sai Nguyễn Hoàn, Lê Quý Đôn, Vũ Miên kiêm chức Tổng tài và các nho thần làm Toản tu: Ngô Thì Sĩ, Phạm Nguyễn Du, Ninh Tốn, Nguyễn Sá (còn có tên là Nguyễn Trạch; con trưởng Nguyễn Hoàn) đều dự làm quốc sử''.[8]
Tháng Giêng, năm Đinh Dậu (1777), Nguyễn Hoàn thay chúa làm lễ Tế Giao (lần thứ hai). Đến cuối tháng Ba, Tham tụng Nguyễn Hoàn đã 65 tuổi, xin về trí sĩ, được thăng Thái phó, ban Quốc lão tham dự triều chính; lại cho đặt tiệc tại nơi ở; triều thần hội tiễn. Vua Lê Hiển Tông và chúa Trịnh Sâm tặng một bài thơ lưu biệt. Về trí sĩ được ba ngày, đầu tháng Tư, chúa lại cho người triệu Nguyễn Hoàn vào kinh, cho làm Phụng thị ngũ lão (Năm vị nguyên lão đại thần).
Tháng Chín năm Kỷ Hợi (1779), vì người con trai cả là Nguyễn Trạch mất, nên ông xin chúa cho trí sĩ, đề cử Bồi tụng Phan Trọng Phiên làm Tham tụng. Nhân đó, chúa vinh phong ông làm Phụ quốc công thần.
Tháng Chín năm Nhâm Dần (1782), khi Trịnh Sâm sắp mất, theo đề xuất của Huy Quận công Hoàng Tố Lý, có triệu Trịnh Kiều (là chú Trịnh Sâm) và Nguyễn Hoàn vào cùng nhận cố mệnh, lập Trịnh Cán làm Điện Đô vương cùng Đặng Thị Huệ trông coi chính sự, Nguyễn Hoàn làm Quốc sư.[9] Khi kiêu binh làm loạn, giết Quận Huy bỏ Trịnh Cán lập Trịnh Tông nối ngôi chúa, Nguyễn Hoàn theo việc cũ của Ân vương Trịnh Doanh mà nói rằng: Việc đã như thế, mặc kệ cho chư quân làm, tức là ủng hộ việc cho Trịnh Tông nhiếp chính.[10]
Năm Quý Mão (1783), lần thứ ba, ông được quyền thay vua làm lễ Tế Giao.
Năm Bính Ngọ (1786), khi Trịnh Tông bị bắt, ông cáo quan về trí sĩ ở làng Đa Sĩ (huyện Phúc Lộc, phủ Quốc Oai, đạo Sơn Tây; nay là phường Kiến Hưng, quận Hà Đông, Hà Nội). Sau đó được vua Lê Hiển Tông vời ra Thăng Long phục chức Tham tụng.
Năm Kỷ Dậu (1789), sau khi đại phá quân Thanh, Quang Trung vào thành Thăng Long và ra chiếu "chiêu hiền đãi sĩ" nhằm tập hợp và trọng dụng các sĩ phu Bắc Hà. Từ Đa Sĩ, Nguyễn Hoàn ra Thăng Long tiếp kiến, nhưng lấy lý do tuổi cao sức yếu, ông xin được trở về và được vua Quang Trung chấp thuận.
Ngày mồng Một tháng 5 năm Nhâm Tý, niên hiệu Quang Trung thứ 5 (1792), Nguyễn Hoàn mất tại làng Đa Sĩ, thọ 80 tuổi. Mộ táng trong vườn thuộc xóm Bắc làng Đa Sĩ; sau cải táng sang làng Mậu Lương và đến năm Quý Mùi (1823), mộ ông được rời về Cồn Lốc, làng Phương Khê (địa danh này nay thuộc xã Nông Trường, huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa).
Văn - sử
Văn tịch chí
Nguyễn Hoàn có hai tác phẩm được lưu truyền là:
Loại Kinh sử, ông có tham gia Quốc sử tục biên, 6 quyển
Loại Truyện ký, ông có cuốn Đăng khoa lục, 3 quyển
Chính thất: Họ Phạm, húy Tập (Phạm Thị Tập) - con gái quan Thám Hoa Phạm Khiêm Ích, hiệu Huy Nha, chức Quận phu nhân; người làng Kim Sơn, Gia Lâm, lấy chồng lúc 17 tuổi; mất năm Nhâm Dần (1782) tháng Bảy, ngày 17, thọ 67 tuổi, mộ ở xứ Cồn Lốc; sinh một con trai, ba con gái.
Thứ thất: Họ Lê, húy Nhật (Lê Thị Nhật), hiệu Trinh Túc, người làng Nhân Mục, Thanh Trì, con gái quan Tham nghịLê Thế Toại, 15 tuổi đi lấy chồng. Năm Minh Mệnh thé 5 (1824), tháng Nam, ngày mồng 4 cụ bà mất, thọ 70 tuổi, mộ táng tại làng Nhân Mục; sinh ra ông Nguyễn Khê.
Á thất: Họ Lê, em gái Tạo sĩLê Thế Trâm, người làng Nhân Mục, là chị họ bà thứ thất Lê Thị Nhật.Bà thiếp Hoàng Thị Vĩnh, người lang Kim Động, xã Hoàng Xá, sinh ra ông Nguyễn Tín
Con
Con trai
Nguyễn Trạch (1760-1799) (Ôn Cẩn phủ quân), còn có tên Nguyễn Sá. Đặc tứ tiến triều, Triều liệt Đại phu, Phụng Thiên Phủ doãn, Tham đồng, Đề lĩnh Tứ thành quân vụ, Quốc sử Toản tu, Châu Lĩnh hầu (Toản tu việc soạn Đại Việt sử ký tục biên cùng Ngô Thì Sỹ, Phạm Nguyễn Du, Ninh Tốn). Có vợ là con gái Tiến sĩ Đào Xuân Lan.
Nguyễn Khê (Thuần Tĩnh phủ quân), sinh năm Canh Dần niên hiệu Cảnh Hưng thứ 31. Làm quan chức Hoằng Tín Đại phu, Quả Nghị Tướng quân, Trung Thành môn Vệ úy xuất thân, Thanh Xuyên bá. Lấy vợ là con gái của Tiến sĩ Phan Huy Ích
Nguyễn Thiện: sinh năm Quý Tỵ niên hiệu Cảnh Hưng thứ 34. Năm này Trịnh Sâm tặng Nguyễn Hoàn 4 chữ đại tự là Thiên Phúc Thiện Nhân, đúng lúc Nguyễn Hoàn được ban tặng chữ thì Nguyễn Thiện ra đời nên đặt tên như vậy. Làm quan chức Hoằng Tín Đại phu, Quả Nghị Tướng quân, Trung Thành môn Vệ úy xuất thân, Phúc Xuyên bá. Lấy vợ là con gái của Quốc tử giám Tế tửu, hành Tham tụngVũ Miên.
Nguyễn Tín: tên khác là Đoan. Làm quan chức Hoằng Tín Đại phu, Trung Thành môn Vệ úy xuất thân, Kim Lĩnh bá. Lấy vợ là con gái Tiến sĩ Đốc trấn Nguyễn Hương.
Con gái
Nguyễn Thị Nghiêm, Nguyễn Thị Mai, Nguyễn Thị Kỳ (con bà chính thất), Nguyễn Thị Chiến (con bà thiếp tên Nguyệt), Nguyễn Thị Tình (em cùng mẹ với ông Nguyễn Tín)
Quỳnh Phúc tự bi ký (Viện nghiên cứu, Viện Viễn Đông Bác Cổ và trường Cao đẳng Thực hành: Tổng hợp Văn khắc Hán Nôm, tập I, Nhà xuất bản. Văn hóa - Thông tin, Hà Nội, 2005, tr. 853 - 584)
Nguyễn Hiệu và Nguyễn Hoàn danh nhân lịch sử thế kỷ XVII - XVIII (Kỷ yếu hội thảo khoa học). Viện Sử học, Sở Văn hóa - Thông tin tỉnh Hày Tây (cũ), Trung tâm HĐVHKH Văn Miếu Quốc Tử Giám, dòng họ Nguyễn Hà. Nhà xuất bản. Thế giới, 2010.
Đại Việt lịch triều đăng khoa lục, nhóm tác giả: Vũ Miên, Nguyễn Hoàn, Phan Trọng Phiên, Uông Sĩ Lãng.