Nathaniel Kleitman nacque a Chișinău, capitale della Moldavia, il 26 aprile 1895 da genitori ebrei. A causa della politica antisemita dello Zar Nicola II e dei due pogrom che colpirono la città (il primo il 6 aprile 1903 e il secondo il 22 agosto 1905), Kleitman si rifugiò, in un primo momento, in Palestina. Non molto tempo dopo si trasferì a Beirut, dove iniziò i suoi studi in medicina presso l'American University of Beirut (AUB), studi che vennero quasi subito interrotti in seguito allo scoppio della Prima guerra mondiale. Così nel 1915 si recò, insieme a tutta la famiglia, a Rodi, dove li stava aspettando l'unica nave in partenza per l'America. Negli Stati Uniti riprese gli studi di medicina; iscrittosi al City College di New York, ottenne il Bachelor in Scienze nel 1919, un anno prima della sua naturalizzazione a cittadino americano. I successivi quattro anni furono dedicati sempre agli studi; nel 1920 ottenne il Master presso la Columbia University e, nel 1923 il PhD summa cum laude in fisiologia, presso l'Università di Chicago, con la tesi "Studi sulla fisiologia del sonno". Presso tale università entrò poi a far parte del corpo docenti (come professore in fisiologia) nel 1925. Qui Kleitman costruì anche il primo laboratorio di sonno al mondo, utilizzando strumenti di misura da lui stesso pensati e costruiti. Salvo periodi di breve permanenza nelle università di Utrecht e Parigi, a Chicago Kleitman rimase fino al suo pensionamento, avvenuto nel 1960. Nel 1995, in occasione dell'APSS meeting in Nashville (Tennessee) il dottor Jerome Siegel (editore) organizzò una festa in onore dei 100 anni di Kleitman, durante la quale egli stesso presentò con un simposio il lavoro di tutta la sua vita.