עוד לפני תום מלחמת העולם השנייה, קבעו שלוש בעלות הברית המובילות (ארצות הברית, ברית המועצות ובריטניה) שורה של הסדרים לקראת סיומה. במפגשי הפסגה שהתקיימו בטהרן, בילטה, וגם לאחר סיום המלחמה בוועידת פוטסדם, הוחלט שלאחר תבוסת גרמניה יוקם בית משפט בינלאומי. בין בעלות הברית סוכמה הקמת בית משפט צבאי בינלאומי, שעליו תוטל האחריות לחקור ולשפוט את המעשים שנעשו בשמה של גרמניה לפני המלחמה ובמהלכה. הכוונה הייתה בעיקר לטפל בפשעי המלחמה, הפשעים שבוצעו נגד אזרחים והפשעים שנעשו במחנות הריכוז. לפני הקמת בית המשפט צורפה צרפת לשלוש בעלות הברית העיקריות, וקיבלה אף היא מקום בקרב השופטים (מכל מדינה מונו שני שופטים). העיר נירנברג נבחרה להיות מקום מושבו של בית המשפט הצבאי, וזאת מכמה סיבות: ראשית, למרות ההרס הרב שפקד גם את העיר הזו, מבנה בית המשפט המקומי כמעט ולא נפגע, כך שיכלו להתקיים בו דיונים רבי משתתפים וקהל; לידו עמד מבנה בית כלא, בו ניתן היה לכלוא את הנאשמים במהלך הדיונים ולהביאם בקלות בעת הצורך. שנית, דווקא בגלל תפקידה הבולט של נירנברג באידיאולוגיה הנאצית – בה התקיימו ימי המפלגה וחוקקו "חוקי נירנברג" הגזעניים נגד יהודים – היה בקיום המשפט בעיר זו ממד סמלי מובהק.
אולם, כדי שבית המשפט יוכל לפעול נגד הנאשמים, היה צריך לעצור אותם. מיד לאחר ימי המלחמה האחרונים התברר שאחדים מבכירי הנאצים אינם עוד בחיים: היטלר וגבלס התאבדו ב-30 באפריל וב-1 במאי, בהתאמה. מזכירו של היטלר, מרטין בורמן, נעדר (שרידי גופתו התגלו רק בשנות ה-70, בברלין). אחרים מבין הנאצים הבולטים ניסו תחילה להסתתר, אך במהלך השבועות שלאחר כניעת גרמניה נלכד מספר גדול מביניהם במקומות נידחים וגם במחנות שבויים, לאחר שהם הסוו את עצמם בקרב המון החיילים הגרמנים שנפלו בידי בעלות הברית. כך קרה לראש ה-SS, היינריך הימלר, שניסה לשרוד עם זהות חדשה. אף על פי כן, חיילים בריטיים זיהו אותו, ועוד לפני שהיה בידי הבריטים סיפק לחקור אותו חקירה מקיפה, הוא הצליח להתאבד. רודולף הס, סגן מנהיג המפלגה הנאצית, נעצר עוד ב-1941, כאשר טס לאנגליה על דעת עצמו כדי לנהל משא ומתן על שלום עם גרמניה. הנאצי הבכיר ביותר שנלכד בחיים היה הרמן גרינג. הלה נכנע לכוחות אמריקניים, יחד עם משפחתו ורכושו – שהועמס על לא פחות מ-17 משאיות.
החל ב-20 בנובמבר 1945 ישבו 24 נאצים על ספסל הנאשמים באולם בית המשפט בנירנברג. הללו הוגדרו כפושעים עיקריים. שמונת השופטים ישבו בדין, ובראש בית המשפט הצבאי הבינלאומי עמד השופט הבריטי סר ג'ופרי לורנס. כל מדינה מבעלות הברית מינתה תובע. במהלך הדיונים הראשוניים סביב שאלת ההאשמות התברר, שסוגיית ההאשמות מורכבת יותר ממה שהיה ניתן לשער; אמנם לא היה ספק לגבי האחריות הגרמנית למלחמה, אך חלק מהפשעים בוצעו למעשה גם על ידי צבאות אחדים מקרב בעלות הברית. למשל, בספטמבר 1939, ברית המועצות תקפה את פולין יחד עם גרמניה, והוציאה להורג אלפי קצינים פולנים בעיר קטין (Katyn) ובמקומות אחרים. וכפי שהגרמנים הפציצו ערים רבות ברחבי אירופה במטרה להחריבן, כך עשו בתגובה גם הבריטים והאמריקנים בגרמניה. לכן, לצורך קיום המשפטים בנירנברג וכדי לא לערער על סמכות בית המשפט, נדרש מהמשפטנים הבינלאומיים למנוע השוואות כאלו ולהתמקד במעשי הגרמנים. בנוסף, כבר בימים הראשונים לדיונים, החל להתגלע מתח בין ברית המועצות ובין בעלות הברית המערביות על רקע המחלוקת האידיאולוגית בין הגושים, שלימים אכן הייתה עתידה להוביל למלחמה הקרה.
הדיונים התנהלו בשפות שונות: באנגלית, צרפתית, רוסית וגרמנית. במהלך כמעט שנה שמע בית המשפט 240 עדים, והוצגו לפניו מסמכים כתובים רבים וגם סרטים. משפט נירנברג הבינלאומי היה חדשני במובנים אחדים: הוא התנהל בו-זמנית במספר שפות והיה מלווה בתרגום סימולטני, והתביעה התבססה על הרעיון שבית משפט בינלאומי ישפוט את האחראים ממדינה מסוימת, שפגעה בחוק הבינלאומי ובאנושות כולה. עבודת בית המשפט בנירנברג וגם זו של גוף דומה שפעל לאחר סיום המלחמה במזרח הרחוק שימשו דוגמה לפעילות בית המשפט הבינלאומי בהאג, שהוקם בעקבות הניסיון והתובנות שנצברו במשפטים שלאחר מלחמת העולם השנייה.
בסוף המשפט, ב-30 בספטמבר וב-1 באוקטובר 1946, נידונו 12 מהנאשמים לעונש מוות, שלושה זוכו והשאר נכלאו בבית הכלא של בעלות הברית במבצר הישן בברלין-שפנדאו, לאחר שנידונו לעונשי מאסר שבין עשר שנים ומאסר עולם. איש מהם לא הודה באשמתו. ב-16 באוקטובר הוצאו להורג מי שנידונו לעונש מוות. גרינג הצליח לשכנע חייל אמריקני לספק לו רעל, כך שהוא התאבד מספר שעות לפני התלייה. האסיר האחרון בבית הכלא בברלין היה רודולף הס. בסופו של דבר גם הס התאבד, בשנת 1987, כשהוא בן 93.
עיתונאים רבים דיווחו מהמשפט בנירנברג. ביניהם היו אנשי שם וסופרים כמו וילי ברנט, אלפרד דבלין, איליה ארנבורג, ארנסט המינגווי, אריך קסטנר, ג'ון סטיינבק ורבים אחרים. כתב עיתון "הארץ" במשפט היה רוברט וולטש, לימים מנהל מכון ליאו בק בלונדון. באופן מפתיע, וולטש לא סבר שלמשפט שנערך בנירנברג יש משמעות רבה או שהוא מועיל ביותר. במכתב אל מרטין בובר מנירנברג מחודש דצמבר 1945, הוא אף ציין, שכל המשפט "בעצם לא מעניין בכלל".
המשפט תועד בסרטים ועם סיומו גם פורסמו הפרוטוקולים השלמים של הדיונים, הכוללים אלפי מסמכים, בסדרה של ספרים עבי כרס באנגלית, בצרפתית וגם בגרמנית. המשפט עצמו והפרסומים עליו נתנו את האות לתחילת המחקר ההיסטורי המקיף על ה"רייך השלישי" ועל פשעי הנאצים.