Yngvar Nielsen var professor i geografi og etnografi ved universitetet i Kristiania i 25 år. Som bestyrer av Etnografisk museum 1877–1916 gjorde han en pionerinnsats med innsamling av norske bondegjenstander. Han var en av sin tids ledende norske historikere på den konservative siden, nær venn av kong Oscar 2 og en av Norges varmeste unionstilhengere. Han var formann i Den Norske Turistforening i en årrekke og utgav den populære Reisehaandbog over Norge.
Nielsen nedstammet på både fars- og morssiden fra det etablerte embets- og handelsborgerskap; farfaren hadde vært en av Christianias største trelasthandlere og direktør i Riksbanken, mens morfaren var byfogd og stortingsmann. Gjennom ekteskapet med datteren av Norges siste lensgreve knyttet Nielsen bånd til landets godseierelite. Hans nære forbindelser til kongehuset ble understreket ved at han var veileder for prinsene Oscar og Eugen under deres opphold ved universitetet i Christiania i 1880-årene.
Nielsen tilbrakte de første barneårene på Sørlandet. Da han var 11 år gammel, flyttet familien til Christiania, der han tok examen artium 1860. Deretter studerte han filologi og tok språklig-historisk embetseksamen 1865. Etter tre år som lærer ved Nissens latin- og realskole (avbrutt av flere omganger med arkivstudier i Sverige og Danmark) var han ansatt i Riksarkivet 1869–78 og samtidig bibliotekar ved Deichmanske bibliotek. Han ble konstituert som bestyrer for Universitetets Etnografiske museum 1877, og året etter ble han universitetsstipendiat i historie og geografi. 1880 tok han den filosofiske doktorgrad på avhandlingen Det norske Rigsraad. 1890 ble det opprettet et personlig professorat i geografi og etnografi for Nielsen, fra 1903 omgjort til et professorat i etnografi. Nielsen innehadde professoratet og bestyrerstillingen ved Etnografisk museum helt til sin død 1916. Han ledet også byggingen av Historisk Museum, som stod ferdig 1904.
Nielsen arbeidet med flere epoker i norgeshistorien, og i middelalderforskningen grunnla han, sammen med T. H. Aschehoug, “den konservative materialistiske” skole: Landets fattigdom på dyrkbar jord ble avgjørende for dets skjebne i middelalderen. Men det var innenfor 1814-forskningen han la ned den største innsatsen. Gjennom studier i flere utenlandske arkiver belyste han 1814 sett fra stormaktenes side. Gjennom dette arbeidet var han sentral i å utvikle den tolkningstradisjonen som har lagt større vekt på de utenrikspolitiske sidene ved 1814 fremfor utviklingen innad i Norge. I Norge i 1814 (1904) oppsummerte han sin forskning for et større publikum.
Nielsens tolkning av 1814 var kontroversiell, en tolkning man kan kalle unionell. Det knyttet seg til hans måte å binde sammen unionen, grunnloven og Norges nasjonale selvstendighet på. Nielsens teori bygde på en vurdering av Karl Johan og hans forhold til grev Herman Wedel Jarlsbergs planer fra 1809. Wedel hadde ønsket å løsrive Norge fra Danmark, dernest skaffe landet en liberal grunnlov og til slutt trygge friheten i en union med Sverige. Disse planene dannet grunnlag for Karl Johans norgespolitikk, hevdet Nielsen. På den måten fikk unionen en norsk forhistorie, noe Nielsen underbygde videre i trebindsbiografien Lensgreve Johan Caspar Herman Wedel Jarlsberg (1886–1902).
De unionelle trekkene ved Nielsens tolkning ble forsterket gjennom striden med Ernst Sars 1882–84. Foranledningen var Sars' bok Historisk Indledning til Grundloven, som Nielsen kritiserte i Bemærkninger ved det af Professor Dr. J. E. Sars udgivne Skrift: “Historisk Indledning til Grundloven” (1882). Også på en annen måte formet striden Nielsens 1814-tolkning. Mot Sars betonte han stormaktenes rolle på en slik måte at det overskygget at han selv også regnet en indre nasjonal vekst som viktig for å forklare 1814.
I begynnelsen av 1890-årene debatterte Nielsen med den svenske historikeren Oscar Alin hva som var unionens historiske grunnlag. Nielsen hevdet mot Alin at det var Mossekonvensjonen, ikke Kieltraktaten som utgjorde dette grunnlaget. Dette var viktig å få slått fast overfor enkelte svenske, konservative miljøer i 1890-årene, som mente at Norge var blitt erobret i 1814; Mossekonvensjonen var nemlig utformet som om den var inngått av likeverdige parter. På den annen side kunne Nielsen trekke politiske veksler på dette, ved at hans syn gav unionen større legitimitet.
Helt fra stiftelsen 1869 hadde Nielsen tilhørt kretsen rundt Historisk Tidsskrift, med Michael Birkeland, Oluf Rygh og Ludvig L. Daae i spissen. Han leverte mer enn 50 artikler til tidsskriftet, som han også var redaktør for 1903–12 i egenskap av formann i Den Norske Historiske Forening. Sammen med Ludvig L. Daae redigerte han tidsskriftet Vidar 1887–89.
Under forfatningskampene i 1880-årene var Yngvar Nielsen politisk engasjert som folkemøtetaler for Høyre. 1884 ble han valgt inn i Høyres sentralstyre, hvor han satt til 1898. Han stilte som kandidat for Høyre ved flere stortingsvalg, men oppnådde bare å bli suppleant (møtte i to uker 1890). 1879–1903 var han dessuten knyttet til Aftenposten, der han sammen med en annen spaltist, professor Bredo Morgenstierne, bidrog til avisens positive syn på unionen.
Nielsen var en ivrig turgåer. Han var styremedlem i Turistforeningen fra 1879, formann 1890–1908. Nielsen drog på lange fotturer i Norge hver sommer, og 1879 gav han ut Reisehaandbog over Norge, populært kalt “Yngvar”, som kom i 12 utgaver frem til 1915 og kom til å spille en viktig rolle i utbredelsen av turismen i Norge.
Mellom 1903 og 1915 skrev Nielsen en rekke selvbiografiske bøker, basert på hans dagbøker, som gir et egenartet innblikk i hans vurderinger og observasjoner av mennesker og hendelser gjennom et langt liv. I memoarene gav han uttrykk for bitterhet overfor politiske motstandere, men også mot meningsfeller som han mente ikke alltid hadde gitt ham full støtte. Et forslag fra regjeringen om å opprette et professorat for ham i historie (1880) ble aldri fremmet, fordi man mente at det likevel ville bli nedstemt. I innsamlingsarbeidet av norske gjenstander til Etnografisk museum følte han seg systematisk motarbeidet av stortingsflertallet. Sammen med Anders N. Kiær var Nielsen med på å lage første bind av Amund Hellands stort anlagte topografisk-statistiske verk Norges Land og Folk (1885), men trakk seg fra samarbeidet da hans motstandere fikk trumfet igjennom at hans navn ikke skulle stå på tittelbladet. Nielsen står likevel igjen som en viktig norsk historiker fra sin tid, først og fremst på grunn av verdien av hans forskning, men også fordi han konstruerte en konservativ forståelse av norgeshistorien som gikk i grus med 1905.
Yngvar Nielsen var medlem av Videnskabsselskabet i Christiania (nå Det Norske Videnskaps-Akademi) fra 1875 og Det Kongelige Norske Videnskabers Selskab fra 1897. Han mottok Oscar 2s belønningsmedalje 1882, ble utnevnt til ridder av 1. klasse av St. Olavs Orden 1894 og fikk kommandørkorset 1911, og han var ridder av den svenske Nordstjärneorden og innehaver av flere andre utenlandske ordener.