Seguendo la serie di successi dei giochi arcade nei primi anni ottanta, Nintendo pianificò lo sviluppo di una propria console a cartucce removibili. Progettata da Masayuki Uemura, fu denominata Famicom e fu messa in commercio a partire dal 15 luglio 1983 al prezzo di 14.800¥ (yen). Al momento del lancio erano disponibili 3 titoli, realizzati dalla Nintendo: "Donkey Kong", "Donkey Kong Jr" e "Popeye". Le vendite della console faticavano a decollare a causa di alcuni chip difettosi presenti nel suo interno; in seguito al suo ritiro e alla nuova immissione sul mercato con una scheda madre rinnovata, la sua popolarità salì fino a diventare la console più venduta in Giappone alla fine del 1984.

Per il mercato mondiale Nintendo aveva preso contatti con  Atari affinché si occupasse della commercializzazione della console al di fuori del Giappone. L'accordo prevedeva che il sistema sarebbe stato distribuito con il nome Atari e che la società avrebbe pagato i diritti per la produzione della console a Nintendo. I rappresentanti delle due società si incontrarono diverse volte al Consumer Electronics Show del 1983, stabilendo le basi dell'accordo. Dopo tre giorni di trattative, quando solo gli ultimi dettagli dovevano essere finalizzati, alcuni dirigenti Atari si imbatterono nello stand della Coleco in una conversione del gioco "Donkey Kong" per il loro nuovo home computer Coleco Adam. Questo fece infuriare Atari perché essa aveva acquistato da Nintendo i diritti per la versione del gioco per gli home computer mentre Coleco deteneva i diritti per produrre soltanto la versione a cartuccia per le proprie console Coleco Vision ed aveva convertito "Donkey Kong" per l'Adam a scopo dimostrativo. I dirigenti Atari immaginarono che i giapponesi stessero vendendo i diritti in loro possesso a più società contemporaneamente e quindi interruppero le trattative con Nintendo. La rottura delle trattative con Atari spinse  Nintendo a cercare un nuovo distributore ma dopo più di un anno di infruttuose ricerche la società decise di commercializzare in proprio la console.

Nel giugno 1985 la console venne presentata al Consumer Electronics Show di Chicago con un design rinnovato e con un nuovo nome per il mercato statunitense: Nintendo Entertainment System. Il prezzo previsto era di 249,99$ con la pistola Zapper, il robottino R.O.B. e i giochi "Gyromite" e "Duck Hunt", oppure 199,99$ con due controller e "Super Mario Bros"., ideato da Shigeru Miyamoto. La console fu distribuita in America a partire dal mese di ottobre del 1985, iniziando dalla città di New York corredata da una ludoteca caratterizzata da giochi inediti come i suddetti "Duck Hunt" e "Super Mario Bros" oltre a     "Excitebike", "Wrecking Crew"ed altri.

Anche se nei primi due anni di vita il NES fu abbastanza costoso, la buona qualità del software e il controllo diretto sui giochi sviluppati da terze parti ne determinarono il successo.  Nel Natale del 1985 la console registrò un discreto volume di vendite, per poi essere distribuita a febbraio dell'anno seguente nel resto del Nord America, raggiungendo al termine del 1986 la quota di 3 milioni di unità vendute. Sempre nel 1986 il NES fu prodotto dalla Worlds of Wonders che aiutò l'azienda giapponese ad un "ritorno d'immagine" negli Stati Uniti. Fu nel 1987, però, che il grande pubblico si accorse delle capacità grafiche della macchina rispetto alle altre console, grazie alla pubblicazione di titoli come "Metroid", "Castelvania", "Rush'N Attack", "Mega Man", "Rad Racer" e "Zelda". Nel 1987, inoltre, i giochi della Worlds of Wonders subirono un grosso calo di vendite e Nintendo, alla fine dell'anno, decise di assumere in blocco tutti i dipendenti che stavano per essere licenziati in seguito all'imminente bancarotta. Curiosamente alcuni di essi erano gli stessi programmatori che Nintendo aveva avvicinato durante il primo tentativo, infruttuoso, di alleanza con Atari. Il NES arrivò a quota sei milioni di unità vendute, cifra che raddoppiò l'anno successivo: nel 1988, infatti, uscirono negli Stati Uniti "Super Mario Bros 2","Contra", "Bionic Comando", "Blaster Master" e "Double Dragon", che spinsero quasi al massimo la tecnologia di questa console; nel 1989 "Ninja Gaiden", "Mega Man 2"," Tecmo Bowl" e "Dragon Warrior" (remake occidentale di "Dragon Quest), rappresentarono un ulteriore passo in avanti nella ludoteca del NES, che si dimostrò ancora una volta il miglior sistema da gioco presente sul mercato. Il picco della giocabilità a 8 bit fu poi raggiunto da "Super Mario Bros 3", uscito negli Stati Uniti nei primi mesi del 1990: il terzo capitolo della saga di Mario, inoltre, fu considerato uno dei migliori e più innovativi videogiochi della storia, oltre che il titolo più venduto dopo Super Mario Bros, quest'ultimo avendo però dalla sua il fatto di essere incluso nella confezione della console.

Nintendo, quindi, tra il 1986 e il 1990 fu l'incontrastata padrona dei mercati nipponico e americano, in cui il NES veniva pubblicizzato con lo slogan "Now you're playing with power", mentre i titoli della console registravano sempre nuovi record. Su NES vennero introdotti i primi capitoli dei franchise di "Mario", "Zelda", "Castelvania", "Mega Man", "Metroid", "Final Fantasy", "Ninja Gaiden" e "Dragon Quest": queste saghe di videogiochi continuano con successo tutt'oggi. Particolare importanza fu data al marchio dorato "Nintendo Seal of Quality" che compariva sulle confezioni dei giochi e degli accessori per il NES ad indicare che i prodotti erano certificati direttamente da Nintendo come rispondenti a precisi requisiti di qualità. Introdotto inizialmente per i soli giochi pubblicati in America, il bollino fu poi esteso anche ai mercati europeo ed australiano. Col tempo, però, il bollino divenne una presenza fissa sulle cartucce dei giochi e solo in rarissimi casi il titolo non conquistò il marchio dorato: esempi sono "Action 52" e "Conker's Bad Fur Day". Sempre in USA, a partire dal luglio del 1988 iniziò ad uscire mensilmente la rivista "Nintendo Power", con le guide e le recensioni dei nuovi titoli. Alla fine degli anni ottanta, in America, era molto famoso anche il servizio telefonico Nintendo con degli operatori che aiutavano gli utenti a terminare o a scoprire dei trucchi segreti dei giochi. Nel 1989 uscì addirittura un film dedicato alla console NES ed il ritorno della moda dei videogiochi casalinghi: "The Wizard".

Nonostante l'ottima qualità della sua ludoteca, la console non riscosse lo stesso successo in Europa e Australia perché la diffusione, curata inizialmente da Mattel, iniziò tardivamente, in gran parte dell'Europa solo due anni dopo la pubblicazione americana, mentre nuove console prodotte da altre società iniziavano a competere tecnicamente con il NES, tra cui principalmente il Sega Master System. In Italia il NES arrivò solo sul finire del 1987 ma una strategia di marketing poco soddisfacente, comprendente il prezzo alto imposto da Worlds of Wonder (filiale Mattel), la distribuzione poco radicata e l'iniziale mancanza di una campagna pubblicitaria via etere, non fece decollare le vendite. In USA invece dal novembre del 1988 il NES venne messo in vendita a 149,99$ con due controller, la pistola Zapper e la cartuccia di Super Mario Bros./Duck Hunt. I giochi in versione PAL, inoltre, arrivavano uno o due anni dopo rispetto alle versioni americane e giapponesi, e questi ritardi, nei primissimi anni novanta, ne annullarono la superiorità tecnica nei confronti delle console più moderne (come il Mega Drive).

Nonostante tutto la console divenne nel 1990 la macchina da gioco più venduta fino ad allora: nel 1995, anno in cui fu tolta definitivamente dal commercio, raggiunse quasi le 62 milioni di unità vendute.

Il NES usa come CPU un microprocessore ad 8 bit prodotto da Ricoh e derivato dal MOS 6502. Rispetto a quest'ultimo integra un generatore audio ed un controller per l'accesso alla memoria (DMA) con un bus indirizzi ridotto. Per far posto a questi moduli Ricoh eliminò dal core del 6502 la circuiteria relativa alla gestione della codifica BCD.

La CPU è prodotta in 2 versioni con 2 clock differenti, a seconda del segnale televisivo generato dalla console: il modello 2A03 (o RP2A03), destinato ai mercati con segnale NTSC (Nord America e Giappone), ha un clock di 1,79 MHz, mentre il modello destinato ai mercati con segnale PAL (Europa, Nuova Zelanda ed Australia), usa il 2A07 (o RP2A07), identico al precedente ma operante ad un clock di 1,66 MHz.^[38] Il generatore sonoro del 2A07 è modificato per lavorare con il clock di sistema più lento.

Il NES utilizza un coprocessore denominato "Picture Processing Unit" (PPU), sviluppato da Ricoh. Come nel caso della CPU, anche la PPU della console era realizzata in 2 versioni, che si differenziano per la frequenza operativa: l'RP2C02, usato nei sistemi NTSC, ha un clock di 5,37 MHz mentre il modello PAL, denominato RP2C07, lavora a 5,32 MHz.Entrambi generano un segnale video composito.

Del PPU ne furono realizzate anche delle versioni speciali da utilizzare nei giochi arcade derivati dal NES. Ad esempio, il PlayChoice-10 usa l'RP2C03, che funziona a 5,37 MHz e genera un segnale video RGB in formato NTSC. Il Nintendo Vs Series usa invece 2 diverse varianti del chip: l'RP2C04 e l'RP2C05: entrambi operano a 5,37 MHz e forniscono un segnale video composito in standard NTSC ma, a differenza degli altri modelli, utilizzano tavolozze irregolari per evitare lo scambio delle ROM dei giochi.

Tutte le versioni del PPU dispongono di una memoria interna, su bus dati separati, composta di 2 kB di RAM video (VRAM), di 256 byte per la memorizzazione degli attributi e della posizione degli sprite (OAM, object attribute memory) e di 28 bytes di RAM per la selezione dei colori dello sfondo e degli sprite. Il NES usa la VRAM per memorizzare gli attributi e le decorazioni grafiche: a questa memoria possono essere affiancati altri 8 kB di RAM o ROM video direttamente sulla cartuccia anche se usando la tecnica del bank switching questo quantitativo può essere aumentato di molto.

Il PPU genera una tavolozza di 52 colori, comprese 6 diverse tonalità di grigio. Il rosso, il verde ed il blu possono inoltre essere scuriti singolarmente in una specifica area dello schermo ricorrendo a particolari accorgimenti software. Il PPU può visualizzare fino a 25 diversi colori contemporaneamente sullo schermo: 1 colore per lo sfondo, 4 gruppi di 3 colori per la grafica e 4 gruppi di 3 colori per gli sprite. Questo totale non include i valori per dimezzare la brillantezza dei colori.

Sullo schermo il PPU può visualizzare contemporaneamente 64 sprite, con dimensioni di 8×8 o 8×16 pixel (la scelta della dimensione influenza tutti gli sprite visualizzati). Su una stessa riga possono essere presenti massimo 8 sprite: il PPU utilizza un flag per segnalare quando è stato raggiunto il limite, che causa la mancata visualizzazione degli sprite in eccesso. Grazie a questo flag i programmatori possono alternare gli sprite da visualizzare, anche se questa tecnica causa uno sfarfallio degli stessi.

Il chip può gestire un solo livello di scorrimento dello schermo, a passi di 1 pixel sia orizzontalmente che verticalmente: in quest'ultimo caso però il sistema visualizza degli artefatti grafici nella parte alta o in quella bassa dell'immagine per via di un bug nella gestione dello scrolling.

La dimensione dell'immagine è di 256×240 pixel ma nei sistemi NTSC la risoluzione verticale effettiva è di 224 pixel, dato che i primi 8 pixel e gli ultimi 8 pixel dell'immagine non sono visibili su molti televisori dell'epoca per la differente risoluzione di questo formato rispetto al PAL.

Sul Famicom originale il segnale video esce in modulazione RF: quando la console è stata riprogettata per l'esportazione nel Nord America ed in Europa come NES, è stata dotata anche dell'uscita composita RCA. Nel 1993 Nintendo modificò la console, rivedendo anche i connettori video: sul nuovo modello giapponese, venduto come AV Famicom, decise di usare il solo segnale composito, fornito tramite lo stesso speciale connettore a 12 pin "Multi out" introdotto con il Super NES, mentre la versione per il Nord America, denominata Nintendo Entertainment System Control Deck (o NES 2), presenta solo l'uscita RF. Il PlayChoice-10, infine, utilizza un segnale video RGB invertito.

Così come in Giappone, anche in America e in Europa le software house esterne erano obbligate ad acquistare da Nintendo una licenza, che consentiva a loro di pubblicare il proprio titolo per NES, e di ottennere il bollino di qualità da parte di Nintendo, il quale attestava che il gioco era stato approvato ufficialmente. Negli Stati Uniti sorsero alcune compagnie, come Color Dreams o Tengen (filiale di Atari), che rifiutandosi di pagare la licenza a Nintendo, trovarono un modo per eludere il sistema di autentificazione della console, e crearono delle cartucce non originali in grado di disabilitare temporaneamente il chip 10NES: questo diede origine alla pubblicazione di molti giochi non ufficiali sviluppati da terzi, per la console NES.

La Color Dreams era proprietaria di molte filiali, come Bunch Games o Wisdom Tree; quest'ultima cominciò a pubblicare i propri giochi senza licenza intorno al 1991, con la commercializzazione di alcuni giochi a sfondo religioso, come Bible Adventures. Altra software house senza licenza molto attiva su NES, fu la Camerica, la quale pubblicò 15 giochi per NES: Bee 52, Big Nose Freaks Out, Big Nose the Caveman, Dizzy the Adventurer, Fantastic Adventures of Dizzy, FireHawk, Linus Spacehead's Cosmic Crusade, Micro Machines, Mig 29 Soviet Fighter, Quattro Adventure, Quattro Arcade, Quattro Sports, Super Robin Hood, Stunt Kids, e The Ultimate Stuntman.

Alcune software house, come ad esempio Dendy, commercializzarono una moltitudine di cartucce non originali molto particolari, le quali comprendevano al loro interno un numero svariato di giochi del NES, tutti racchiusi all'interno di un'unica cartuccia e distribuite a prezzi competitivi. Considerate illegali, a volte presentavano svariati problemi: alcuni giochi al loro interno non funzionanti, molti doppioni dello stesso titolo, o problemi di incompatibilità con alcuni NES^[59].