নীলিমা ইব্রাহিম ১৯২১ সালের ১১ জানুয়ারি খুলনার বাগেরহাটে জমিদার প্রফুল্ল রায় চৌধুরী ও কুসুম কুমারী দেবীর কোলে জন্মগ্রহণ করেন। তিনি ১৯৩৭ সালে খুলনা করনেশন গার্লস স্কুল থেকে ১৯৩৯ সালে কলকাতায় ভিক্টোরিয়া ইনস্টিটিউশন থেকে যথাক্রমে স্কুল লেভেল ও ইন্টার লেভেল পরীক্ষায় উত্তীর্ণ হন। পরবর্তীতে স্কটিশ চার্চ কলেজ থেকে কলা ও শিক্ষার উপরে স্নাতক ডিগ্রি অর্জন করেন, পরবর্তীতে ১৯৪৩ সালে কলকাতা বিশ্ববিদ্যালয় থেকে বাংলা সাহিত্যের এমএ ডিগ্রি লাভ করেন। তিনি ১৯৫৯ সালে ঢাকা বিশ্ববিদ্যালয় হতে বাংলা সাহিত্যে ডক্টরেটও অর্জন করবেন।