Nada seguro se sabe acerca de sus primeros años o aprendizaje. Puede ser posible que su tío (también llamado Nicolas Lebègue), un maître joueur d'instrument, jugara algún papel en la educación de música de Lebègue. Igualmente poco se sabe sobre las circunstancias del traslado de Lebègue a París en los años 1650: la primera referencia a Lebègue se encuentra en un documento de 1661 en que el compositor ya es descrito como "el famoso organista Parisiense", por lo que por entonces debe haber vivido y trabajado bastante tiempo en la ciudad como para afianzar una reputación sólida. Aunque esto debe significar que ocupó por lo menos un puesto de organista en París, se desconoce donde trabajó.

El único puesto conocido que se sabe que ocupó fue en la Iglesia de Saint-Merri, donde trabajó desde el 18 de diciembre de 1664 hasta su muerte. Lebègue empezó a publicar su música en 1676, y en 1678 fue seleccionado para convertirse en uno de los organistes du Roi ("organista del Rey"), una posición prestigiosa que compartió con Guillaume-Gabriel Nivers, Jacques-Denis Thomelin, y Jean-Baptiste Buterne. Las copias supervivientes de la música de Lebègue son muy numerosas, y esto indica que era un músico enormemente aclamado. Era igualmente famoso como un experto en fabricación de órganos y temas de mantención: en esta calidad, Lebègue viajó a Bourges, Blois, Chartres, Soissons y Troyes. Finalmente, Lebègue también fue un maestro influyente: sus alumnos incluyen a François d'Agincourt, Nicolas de Grigny, y probablemente muchas figuras menores como Gabriel Garnier, Jean-Nicolas Geoffroy y Gilles Jullien.   También fue a través de Lebègue que Pierre Dumage recibió su prime cargo importante,en la  iglesia colegiada de Saint-Quentin.

Portada interior del "Troisieme livre d'orgue" de Nicolas Lebegue .

La importancia histórica de Lebègue descansa en su música para teclado, de la que publicó cinco colecciones (todas publicadas en París. Hizo contribuciones particularmente importantes al desarrollo de la escuela de órgano francesa inventando piezas con partes de pedal independientes y desarrollando el género de 'Tierce en taille'.

Unas pocas piezas más para clavicordio y unas 20 obras para órgano sobreviven en copias manuscritas. La música de clavicordio de Lebègue continúa la tradición establecida por Jacques Champion de Chambonnières y Louis Couperin. En los preludios sin barras de compás del primer libro (las composiciones publicadas más antiguas de este tipo) usa una versión modificada de la anotación abstracta de Couperin: las modificaciones, como Lebègue escribe en el prólogo, apuntan "a presentar los preludios tan simplemente como sea posible", y las piezas mismas son mucho más cortas y más simples que las de Couperin. Con este fin, usó valores de notas mixtos, como oposición a las semibreves intercaladas de Couperin. Sin embargo ningún compositor adoptó la anotación de Lebègue, y su segunda colección de música de clavicordio no incluyó preludios sin barras de compás.

"Les pièces d'orgue", la primera colección de órgano publicada por Lebègue, comprende ocho suites y cubre los ocho modos. Los nueve noëls (variaciones sobre villancicos) son algunos de los ejemplos supervivientes más antiguos del género. Sólo unas pocas piezas que no son para teclado de Lebègue se conservan: un himno y una colección de motetes publicados en 1687 en París como "Motets pour les principales festes de l'année". Los motetes fueron compuestos para las monjas Benedictinas del convento de Val-de-Grâce. Otras obras, incluyendo unas “Vísperas” para dos coros, están perdidas.