Estudià literatura anglesa a la University College de Londres, període en què ja dirigí diversos curtmetratges en una escola de cinema. El 1998 dirigí el seu primer llargmetratge, Following, que rodà en diversos caps de setmana mentre encara era a la universitat i en el qual apareixen alguns dels seus companys d’estudis; tot i el seu escàs pressupost, la pel·lícula deixa entreveure alguns dels trets argumentals que són habituals en la seva filmografia posterior. La seva segona pel·lícula fou Memento (2000), un thriller de gran èxit en els circuits independents que cridà l’atenció per la seva sofisticada estructura narrativa en ordre cronològicament invers, amb el guió del seu germà Jonathan Nolan, col·laborador habitual en la seva obra.
També ha dirigit Insomnnia (2002), remake d’un film noruec d’intriga amb Al Pacino i Robin Williams, que li obrí les portes per a la realització de Batman Begins (2005), rellançament de les aventures cinematogràfiques del superheroi de la DC que aniria seguit de dues pel·lícules més, The Dark Knight (2008) i The Dark Knight Rises (2012). Posteriorment dirigí els films The Prestige (2007), una intriga sobre la rivalitat entre dos mags protagonitzada per Christian Bale i Hugh Jackman; Inception (2010), una història de ciència-ficció interpretada per Leonardo DiCaprio; la relectura de Superman Man of Steel (2013); el thriller espacial Interstellar (2014), i Dunkirk (2017), recreació de la batalla de la Segona Guerra Mundial, pel qual rebé un premi Gaudí a la millor pel·lícula europea.
Posteriorment ha estrenat Tenet (2020) i Oppenheimer (2023), un drama històric biogràfic basat en la vida de J. Robert Oppenheimer, el físic teòric nord-americà conegut com el “pare de la bomba atòmica” pel seu paper en el projecte Manhattan, que desenvolupà les primeres armes nuclears durant la Segona Guerra Mundial. Aquesta darrera pel·lícula fou guardonada amb cinc Globus d’Or 2024 (millor drama, millor direcció, millor actor, millor actor de repartiment i millor banda sonora) i set premis Oscar (millor pel·lícula, millor direcció, millor actor principal, millor actor secundari, millor banda sonora, millor fotografia i millor muntatge).