Fill d’un petit fabricant de pastes de sopa. Fou deixeble de Josep Mirabent i de l’acadèmia Martínez Altés, on conegué Xavier Nogués. Estudià després amb Lluís Graner. El 1892 ja presentà a la sala Parés algunes obres que foren qualificades d’impressionistes per la crítica, i l’any següent, dins el grup Acadèmia Lliure, formà part d’una exposició col·lectiva encapçalada per Rusiñol, que també fou molt combatuda per l’esbossament de les obres presentades.
Alumne de Llotja, en 1895-96 hi coincidí amb Joaquim Mir —amb qui formava la Colla del Safrà— i amb Gosé, Sunyer i Torres-Garcia. El 1894 participà a la Segona Exposició de Belles Arts de Barcelona, i publicà dibuixos a La Vanguardia. Participà en dues exposicions col·lectives més, a can Parés —la segona, de membres del Cercle Artístic—, el 1895, i en una d’El Niu Guerrer. El 1895 concorregué a l’Exposición Nacional de Madrid, mostra en la qual participà diverses vegades fins el 1910, sense haver-hi estat mai premiat. El 1896 exposà amb altres membres de la Colla del Safrà a la Tercera Exposició de Belles Arts barcelonina, on obtingué menció honorífica. L’estiu d’aquell any, amb Ricard Canals i amb Juli Vallmitjana, anà a Boí, on féu olis i nombrosos dibuixos sobre el cretinisme, aleshores endèmic a la zona. A la tardor, n'exposà al Saló de La Vanguardia, i al principi de l’any següent en publicà a Barcelona Cómica; amb un oli també de Boí participà en la XIV Exposició de la Sala Parés.
Poc després anà a París, amb Canals —tots dos com a socis corresponsals de la Institució Catalana de Música— i hi presentà diversos dibuixos de cretins, al Salon del Champ-de-Mars, per l’abril del 1897, i a la darreria de l’any participà en la XV Exposition des Peintres Impressionistes et Symbolistes. A la primeria del 1898, amb Canals, obrí una exposició conjunta a la sala Le Barc de Boutteville. A la fi de l’any, ja a Barcelona, presentà apunts de París a Els Quatre Gats. De nou a París —on la revista La Vie Moderne havia publicat obres seves—, exposà, bé que en condicions desavantatjoses, a la important galeria d’Ambroise Vollard (1899). Sense acceptar les propostes de Durand-Ruel per a fer espanyolades, tornà sobtadament a Barcelona, sembla que per motius íntims.
Els anys 1902 i 1903 exposà sovint a can Parés i a d’altres llocs, com l’Ateneu Barcelonès —mentre enviava obres als salons del Champ-de-Mars—, però foren exposicions poc acurades, sovint compartides amb altres artistes, l’obra dels quals no lligava amb la seva. Desenganyat de l’acollida que fins i tot la crítica més avançada feia de la seva obra, es limità a concórrer uns quants anys només a exposicions col·lectives (Sala Parés, Cercle Artístic, locals de la Lliga, Acadèmia de Belles Arts, etc.). Diversos dibuixos seus havien aparegut a L’Esquella de la Torratxa (1895-96) i a l’almanac de La Campana de Gràcia (1896), Luz, Quatre Gats, Pèl & Ploma, ‘Forma, etc., però publicà sobretot a Papitu, on començà a col·laborar el 1908, identificat del tot amb l’ideari postmodernista de la revista.
El 1909, amb Joan Colom, exposà a les galeries Dalmau, i l’any següent, al Faianç Català, presentà la seva primera exposició que tingué èxit. Poc després s’integrà a Les Arts i els Artistes. Respectat pels joves inquiets —fins i tot pels noucentistes classicistes—, col·laborà en l’ Almanac dels Noucentistes poc abans de morir, just al moment que començava a ésser comprès majoritàriament com a artista.
Aquesta fi, inesperada i prematura, fou un dels elements decisius que ajudaren a la ràpida mitificació pòstuma de l’artista, que —en paraula de Rafael Benet— esdevingué “bandera” de tota una generació de pintors joves que pretenien realisme i sinceritat. El seu caràcter, càustic, directe i independent, que el feia replicar als qui teoritzaven damunt la seva obra amb la frase, ja tòpica, de “jo pinto i prou”, li havia valgut, però, nombroses enemistats.
L’obra de Nonell, sempre inquieta, començà en la línia luminista de l’escola de Sitges (~1891), passà per les grogoses visions suburbials de Barcelona, en les quals seguia tècnicament el Rusiñol de Montmartre (~1893-96), i arribà a l’expressionisme quasi caricaturesc de les seves sèries de cretins —i després, de captaires i de repatriats de la guerra de Cuba—, que desagradaren al públic català i al de París. Centrat després en les gitanes de colors sobretot foscs verdosos i vermellosos (1901-06), prosseguí després dedicat especialment a la figura femenina, però de raça blanca i amb tons menys patètics des del 1907. Una confessada admiració per Daumier, per Monet i per Toulouse-Lautrec, assimilats a París, és la influència inicial d’un estil —molt personal, tanmateix— basat en la pinzellada breu, nerviosament repetida i combinada amb llargues pinzellades grasses que ressegueixen els contorns. Els seus dibuixos es basen en traços similars, llargs i sinuosos, i sovint s’enriqueixen amb una tècnica insòlita d’execució mal delimitada, coneguda amb el nom de fregit, la paternitat de la qual és controvertida entre ell i el seu rival i company Pablo Picasso.
Figura bàsica del postmodernisme català, Nonell aportà una important renovació estètica a l’art del país —els seus imitadors foren nombrosos— i un testimoniatge fidel d’una etapa de crisi en tots els ordres de la vida catalana.