Родился в семье владетельного князя замка Цовк Апирата Пахлавуни. Правнук знаменитого церковного писателя Григория Магистроса, младший брат и преемник католикоса Григора III Пахлавуни. Получил основательное образование в школе при монастыре Кармир, у епископа Степаноса Манука. С 1150 года жил в основном в Ромкле

Вся деятельность Нерсеса была направлена к соединению церквей армянской и греческой, причем он руководствовался в особенности желанием отстоять самостоятельность своего отечества от покушений мусульман. В 1170 году в городе Ромкла, местопребывании католикосов, произошёл диспут между Нерсесом и уполномоченным императора Мануила, богословом Феорианом; второй диспут состоялся в 1172 году. «Изложение веры» Нерсеса, в которой приведена приемлемая для Армянской церкви формула Халкидонского символа веры, написано было до первого диспута и представляет род программы, на основании которой могло бы состояться соглашение. Император Мануил и Патриарх Константинопольский Лука, обсудив «Изложение Веры», нашли, что оно может послужить основой к началу объединения Армянской и Византийской Церквей.

Уже став католикосом, Нерсес отправил императору ещё одно послание, уточнив, что объединение должно происходить не по примеру хозяина и слуги, а как равного с равным, на основе Священного Писания и Священного Предания. Где бы ни обнаружились богословские и обрядовые отклонения, будь то у армян или у византийцев, они должны быть исправлены.

На это послание Нерсеса Шнорали император и Патриарх Михаил III ответили в 1172 году, предлагая армянам для объединения принять ряд условий: исповедовать, что в Христе не только одно лицо, два естества, как истолковал Нерсес, не порицая в то же время прежние толкования своей церкви, так как «два естества» его церковь не отрицала, а объясняя, что они не противоречили оросу Халкидонского собора, но и две воли и два воздействия, признать Халкидонский и все последующие соборы византийской церкви не поместными, как полагал Нерсес, а вселенскими, что означало бы изменение обрядов и праздников Армении, согласиться с тем, чтобы избрание католикоса Армении утверждалось императором Византиии т. д.

Разочарованный Нерсес, будучи большим защитником идеи объединения Церквей, ответил Феориану, посланнику императора и патриарха, что сам он не вправе решать столь серьёзные вопросы и что он ответит на них после созыва Собора Армянской Церкви. Среди приготовлений к созыву Собора, на котором должен был быть поставлен вопрос о соединении церквей, Нерсес умер. Обещанный Собор созвал последующий католикос Григор IV в 1179 году. В этом Соборе участвовали епископы Армении, Киликии с прилегающими землями, Алуанка, а также представители Сирийской Яковитской Церкви. Собор, с одной стороны, осудил крайности монофизитства, с другой — отверг учение о двух волях, двух воздействиях, утвердив толкование Армянской Церкви о единой ипостаси Бога Слово воплощенного. Но ещё до того, как в Константинополе узнали о решении Собора, в 1180 году умер император Мануил, а его последователи каких-либо признаков заинтересованности в объединении с Армянской Церковью не проявили.