Urodził się 11 grudnia 1859 roku w Warszawie, jako syn drobnego przemysłowca, pochodzenia żydowskiego, Hilarego Nusbauma[1] i Ewy z domu Tenenbaum. W 1878 roku ukończył gimnazjum klasyczne w Warszawie. W latach 1878-1881 odbył studia przyrodnicze na Wydziale Fizyko-Matematycznym rosyjskiego Cesarskiego Uniwersytetu Warszawskiego. W 1886 roku uzyskał stopień magistra zoologii i anatomii porównawczej na Uniwersytecie w Odessie (promotorami byli Aleksandr Kowalewski i Ilja Miecznikow).

W 1888 roku uzyskał stopień doktora zoologii i anatomii porównawczej na Uniwersytecie Warszawskim. W roku 1891 habilitował się na Wydziale Filozoficznym Uniwersytetu Lwowskiego u Benedykta Dybowskiego w zakresie anatomii porównawczej i embriologii. W 1892 roku przeniósł się do Lwowa, obejmując stanowisko prywatnego docenta anatomii porównawczej i embriologii przy Zakładzie Zoologii i Anatomii Porównawczej Uniwersytetu Lwowskiego. W 1906 roku po przejściu na emeryturę Benedykta Dybowskiego, Józef Nusbaum-Hilarowicz (w 1907 przyjął chrzest i zmienił nazwisko na Nusbaum-Hilarowicz) zrezygnował ze stanowiska w Akademii Weterynarii i objął kierownictwo Zakładu Zoologii i Anatomii Porównawczej na Wydziale Filozoficznym Uniwersytetu Lwowskiego w charakterze rzeczywistego profesora zwyczajnego. Kierując tym zakładem do śmierci, rozszerzył go, przebudował i zorganizował. Zakład ten stał się z biegiem lat jednym z najnowocześniejszych pod względem naukowym ośrodków zoologicznych w Europie. W nusbaumowskiej szkole zoologicznej wyspecjalizowało się ponad 40 zoologów, spośród których 16 zajęło później stanowiska profesorskie w szkołach wyższych (m.in. Benedykt Fuliński, Jan Grochmalicki, Jan Hirschler, Antoni Jakubski, Rudolf Weigl). Jako wykładowca słynął z wielkiego daru wymowy, a jako nauczyciel młodych kadr zoologów z wielkiego talentu pedagogicznego i ojcowskiej wprost życzliwości. W trosce o naukowy rozwój swych uczniów często wyjednywał im stypendia i wysyłał do nadmorskich stacji zoologicznych, zwłaszcza Triestu, Neapolu i Monaco, z którymi ściśle współpracował. W latach 1902-1903 był prezesem Polskiego Towarzystwa Przyrodników im. Kopernika. Zmarł 17 marca 1917 we Lwowie. Został pochowany na Cmentarzu Łyczakowskim. Polskie władze samorządowe Lwowa uhonorowały Nusbaum-Hilarowicza poprzez nazwanie jednej z ulic miasta Lwowa jego nazwiskiem. Jego brat Henryk Nusbaum był neurologiem i filozofem medycyny. Jego żona Rozalia Hilarowiczowa (1859–1933) była przyrodniczką. Syn Henryk Hilarowicz, profesor, został zamordowany przez hitlerowców w lipcu 1941. Drugi syn Tadeusz był znanym teoretykiem prawa administracyjnego.