Umar Farouk Abdulmutallab, 25, erkände sig skyldig till att försöka spränga ett kommersiellt plan som ett självmordsuppdrag för al-Qaida.
Hans familj uppmanade snabbt USA:s regering att se över domen.
Abdulmutallab blev svårt bränd när en bomb fastsydd i hans underkläder misslyckades med att detonera helt, sade åklagare.
Nästan 300 personer var på flyget från Amsterdam till Detroit.
Några av passagerarna från flygningen befann sig i rättssalen när förbundsdomaren Nancy Edmunds tillkännagav domen.
Typ: Umar Farouk Abdulmutallab
"Detta var en terrorhandling som man inte kan käbbla med", sade domare Edmunds, eftersom hon utdömde det maximala straffet.
Sonen till en nigeriansk bankir och en före detta ingenjörsstudent vid University College London, Abdulmutallab ställdes inför åtta åtal mot honom, inklusive terrorism och mordförsök.
Al-Qaida på Arabiska halvön (AQAP), en militant grupp baserad i Jemen, sade att det låg bakom attackförsöket.
Som uttalande till BBC, familjen Abdulmutallab sade att de var "tacksam till Gud att den olyckliga händelsen av detta datum inte ledde till någon skada eller död".
"Vi vädjar starkt till den amerikanska justitiedepartementet att se över livstiden," sade de. "Vi vädjar också till Förbundsrepubliken Nigeria att fortsätta med sitt stöd och samarbeta med den amerikanska regeringen för att se till att en översyn görs."
Inför domen hävdade den biträdande försvarsadvokaten Anthony Chambers att ett livstidsstraff för Abdulmutallab skulle vara författningsstridigt, eftersom inga andra passagerare skadades.
Genom Mark LobelBBC News, Lagos
Många fler unga nigerianer har radikaliserats sedan Lagos-födde Umar Farouk Abdulmutallabs agerande kopplade det västafrikanska landet till al-Qaida.
Men organisationen bakom deras radikalisering är Boko Haram, en lokal religiös grupp som har blivit militant. Det vill att Nigeria ska styras av en strikt islamisk lag och dess rekryter tar helt andra resor än mannen i tjugoårsåldern från en mycket rik nordlig nigeriansk familj, nu i händerna på det amerikanska kriminalsystemet.
En granne till Abdulmutallabfamiljen i Kaduna, en framträdande rättighetsaktivist Shehu Sani, berättade för mig att ett lindrigare straff skulle ge Umar Farouk en välförtjänt chans att rehabilitera. Ansvaret borde ligga på terroristerna som utnyttjade modellstudenten, eftersom han var för ung för att veta bättre, sade han.
Några i den muslimska norden tror att hela fallet är en amerikansk konspiration. Det finns mycket mindre sympati för honom i den kristna södern. Matthew, en bankman, sade att en dödsdom skulle vara berättigad. Efter att ha skadat Nigerias image, som Boko Haram gör nu, sa Matthew att 25-åringen inte förtjänar en andra chans.
Domstolsavgörandet gav domaren i uppdrag att utdöma ett obligatoriskt livstidsstraff, men Chambers yrkade på ett lindrigare straff.
"Inte en enda passagerare förlorade sitt liv. Inte en enda passagerare fick livshotande skador, sa han.
Åklagare sade att ett livstidsstraff var berättigat eftersom ett försök till terrorattack ökar allmänhetens rädsla och belastar flygplatser med dyra och tidskrävande säkerhetsförfaranden.
Som en del av domförhöret gjorde fyra passagerare och en besättningsmedlem ombord på Flight 253 uttalanden och berättade för domaren att händelsen för alltid hade förändrat deras liv.
En video från FBI som visar kraften i det explosiva materialet i Abdulmutallabs underkläder visades också vid förhöret. Som videon spelade Abdulmutallab två gånger sade högt "Allahu akbar" - arabiska för "Gud är stor".
Abdulmutallab gjorde själv ett kort uttalande. Under den korta rättegången hade han avskedat sin advokat och försökt representera sig själv.
"Mujaheden är stolt över att döda i Guds namn", sade han i domstolen. "Och det är precis vad Gud sa till oss att göra i Koranen... Idag är en segerdag."
"Som ett snabbt svar på några av de saker som har sagts, säger jag mitt liv och livet av muslimer har också förändrats på grund av attackerna på oskyldiga civila," tillade han.
Under rättegångens andra dag i oktober förklarade Abdulmutallab oväntat att han skulle erkänna sig skyldig till alla anklagelser.
Bomben var ett "välsignat vapen för att rädda oskyldiga muslimers liv", berättade han för domstolen.
"USA bör varnas för att om de fortsätter att döda och stödja dem som dödar oskyldiga muslimer, då USA bör vänta på en stor olycka... eller Gud kommer att slå dem direkt", tillade han.
Utredare sade Abdulmutallab medgav att han arbetade för AQAP, och hade inspirerats av och hade träffat Anwar al-Awlaki, en radikal präst som dödades 2011 av en amerikansk drönarattack i Jemen.
Abdulmutallab fick både bomben och utbildningen från AQAP innan han reste från Nigeria till Amsterdam.
Där bordade han Northwest Airlines Flight 253 till Detroit, som bar 279 passagerare och 11 besättningsmedlemmar.
Bomben togs inte upp vid säkerhetskontroller på flygplatser i Lagos och Amsterdam.
Ombord misslyckades bomben med att detonera helt och passagerarna var tvungna att släcka branden.
Abdulmutallabs far, Alhaji Umaru Mutallab, en inflytelserik bankir som är väl ansluten i nigeriansk politik, sade att han hade kontaktat amerikanska ambassadtjänstemän och nigerianska myndigheter under 2009 för att varna dem om sin son.
Abdulmutallab var redan på en amerikansk bevakningslista, men inte en flygförbudslista.
En nigeriansk man som anklagats för att ha försökt bomba ett amerikanskt flyg på juldagen 2009 har dömts till livstids fängelse utan villkorlig frigivning.