Der in Württemberg in einer Pfarrersfamilie geborene Niethammer trat 1780 in die Klosterschule in Denkendorf ein, wechselte 1782 in die höhere Klosterschule nach Maulbronn und wurde 1784 Stipendiat im Tübinger Stift, wo er Friedrich Hölderlin, Georg Wilhelm Friedrich Hegel und Friedrich Wilhelm Joseph Schelling kennenlernte. 1790 kam er nach Jena, wo er bei Carl Leonhard Reinhold die Philosophie Kants studierte und sich mit Franz Paul von Herbert aus Klagenfurt anfreundete, mit dem er bis zu dessen Tod befreundet blieb und in dessen Bleiweißfabrik er 1793/94 arbeitete. Beide waren auch mit dem Reinhold-Schüler Johann Benjamin Erhard befreundet, der 1795 das Buch Über das Recht des Volkes zu einer Revolution veröffentlichte. Ab 1794 las er an der Universität Jena Philosophie; ab 1797 gab er gemeinsam mit Johann Gottlieb Fichte das Philosophische Journal heraus und wurde dadurch 1798 in den Atheismusstreit verwickelt, den sein und Herberts Freund Friedrich Karl Forberg ausgelöst hatte. 1795 widmete er Herbert die Schrift Über Religion als Wissenschaft zur Bestimmung des Inhalts der Religionen und der Behandlungsart ihrer Urkunden. Bis 1804 wirkte er als außerordentlicher Professor der Theologie in Jena. Im Sommer 1804 nahm er eine Berufung nach Würzburg an, wo er auch das Amt des Oberpfarrers der protestantischen Gemeinde am ersten Advent 1804 antrat, und wurde 1806, nachdem das ehemalige Fürstbistum an den Großherzog Ferdinand von Toskana übergegangen war, protestantischer Oberschulkommissar von Franken. Niethammer wurde zunächst nach Bamberg versetzt und ab 1807 setzte er, berufen nach München, als bayerischer Zentralschulrat für die protestantische Kommission die Lehrplanreform im neuhumanistischen Sinne durch. Der von Ciceros humanitas abgeleitete Begriff Humanismus wurde zunächst durch Niethammer für eine Kritik an der durch die Aufklärung geprägten Pädagogik verwendet. In dem Buch Der Streit des Philanthropinismus und des Humanismus in der Theorie des Erziehungs-Unterrichts unsrer Zeit, Jena 1808, schlug sich diese Kritik nieder. Aus Niethammers Sprachgebrauch entstand der Begriff des humanistischen Gymnasiums. 1808 wurde er außerordentliches Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, 1822 schließlich ordentliches Mitglied der Forschungseinrichtung. Bis 1826 war er Oberschul- und Oberkirchenrat, bevor er nur noch das kirchliche Amt wahrnahm. 1833 wurde ihm von König Wilhelm I. von Württemberg das Ritterkreuz des Ordens der württembergischen Krone verliehen, 1838 von Ludwig I. von Bayern das Ritterkreuz des Verdienstordens der Bayerischen Krone. Mit beiden Orden war die Erhebung in den persönlichen Adelsstand verbunden. 1836 erwarb er für 600 Gulden die Burg Hohenbeilstein in seinem Geburtsort Beilstein. Sein Sohn war der Jurist und Politiker Julius von Niethammer.
