Après des études de pharmacie réalisées à Bordeaux, Bastien Nay a obtenu un DEA de chimie des biomolécules de l’Université Paul Sabatier de Toulouse en 1997. Il prépare alors un doctorat de chimie organique de la même université, sous la direction de Joseph Vercauteren à Bordeaux, qu'il soutient en 2000. Il réalise deux stages postdoctoraux, d'abord à l’Université de Nottingham en Angleterre dans le groupe de Steve Clark sur l'application de la réaction de métathèse d'oléfines à la synthèse de substances naturelles, puis à l’Institut de Chimie des Substances Naturelles de Gif-sur-Yvette avec Christiane Poupat en chimie médicinale. Sur un autre projet de synthèse totale, il intègre en janvier 2004 le CNRS en tant que chargé de recherche au Muséum national d’Histoire naturelle de Paris en 2004, où il dirige de 2008 à 2017 l'équipe de Chimie des produits naturels fongiques. Il est nommé directeur de recherche au CNRS en 2014. En 2017, il rejoint le Laboratoire de Synthèse Organique de l’École Polytechnique où il continue ses recherches en synthèse totale à l'interface biologique. Ses projets l'ont amené à explorer la chimie des polyphénols, des terpénoïdes, de polycétides divers (cytochalasines, macrolactones), des cyclopeptides, et leurs propriétés biologiques variées. Plus récemment, il s'intéresse au design d'outils moléculaires répondant à la lumière pour étudier le vivant.