Germà del també compositor Giovanni Bernardino Nanino. Es formà com a nen cantor a la catedral de Vallerano. Fou deixeble de Palestrina, a qui succeí com a mestre de capella de Santa Maria Maggiore, a Roma, l’any 1567. Entre el 1575 i el 1577 ocupà el mateix càrrec a Sant Lluís dels Francesos, també a Roma. Després passà a formar part del cor de la capella papal com a tenor i es mantingué en aquest lloc fins al moment de la seva mort. A partir del 1591, quan el seu germà fou nomenat mestre de capella de Sant Lluís dels Francesos, continuà mantenint alguns vincles amb aquesta església, on s’ocupà de la formació dels nens cantors. Gaudí de molta fama i fou considerat un dels grans compositors actius a Roma al final del segle XVI, fins al punt de ser comparat amb Palestrina. Entre els seus deixebles figuren noms com Felice Anerio, Antonio Brunelli o Paolo Agostino. Escriví madrigals i canzonette, i molta música sacra, especialment motets, la major part de la qual s’ha conservat manuscrita.