Nacido en Melbourne, Australia, creció en una sociedad conservadora y colonial en las garras de una depresión salvaje. Su familia encontró un trabajo estable en la compañía de tranvías de Melbourne, pero aun así tuvo que complementar sus ingresos con apuestas ilegales. Viviendo en las calles y playas alrededor de Melbourne, Nolan podría haber caído en la delincuencia sin embargo se convirtió en uno de los artistas modernos más famosos e influyentes de su generación.
Quiza decidió hacerse artista para liberarse de las restricciones físicas e intelectuales de su educación. Como no podía satisfacer su deseo de viajar a Europa leía todo lo que encontraba en la Biblioteca Estatal de Victoria y así tuvo acceso a revistas de arte moderno y logró un empleo en la fábrica de sombreros, en el departamento de diseño publicitario . Durante este período cayó bajo el hechizo del poeta simbolista francés Arthur Rimbaud. Al rechazar el naturalismo y el realismo, creía que el propósito del arte no era representar la realidad sino acceder a verdades mayores mediante el "trastorno sistemático de los sentidos". Las ideas encapsuladas en la poesía de Rimbaud demostraron ser algunas de las influencias más duraderas y formativas de Nolan.
Sus primeras pinturas reflejan su estudio de artistas como Pablo Picasso, Joan Miró, Wassily Kandinsky, Max Ernst y Paul Klee. También se sintió atraído por el arte ingenuo del refugiado ruso Danila Vassilieff.
Entre 1946 y 1947 pintó su primera serie de obras que comentaban la vida del bandido australiano Ned Kelly. Nolan, de origen irlandés, escuchaba las historias que la familia le contaba sobre el legendario bandido Ned Kelly, también de Irlanda, y estas marcaron poderosamente su juventud y en los años cuarenta ya lanzó su particular visión del personaje a través de una serie de obras que recreaban distintos momentos de su lucha contra la policía.
Este fue el primer capítulo de un poema épico para Nolan que continuó absorbiéndolo hasta su última pintura en 1992. En todas las pinturas de Kelly los ojos sirven como el reflejo del ser interior, su ausencia en su famoso Kelly montado de 1946 sugiere su asociación subliminal "despreocupada" con su propio paisaje.
Otra célebre serie que realizó Nolan se centró en otro personaje de la corta historia australiana, Eliza Fraser. La mujer, inglesa de origen, que naufragó en las costas de Queensland, al este de Australia, cuando viajaba para instalarse en el país con su marido, y fue rescatada por unos aborígenes en una isla que acabó llamándose Fraser Island en recuerdo del hecho.
Esclavizada durante años, fue finalmente devuelta a Inglaterra tras una misión comandada por soldados voluntarios y convictos, lo que dio lugar a grandes titulares en la prensa de la época, en 1836.
Nolan se mudó a Inglaterra en 1955, pero continuó pintando sus paisajes australianos nativos, entre otros temas. Permaneció involucrado en el teatro, diseñando escenografías para la producción del ballet de Igor Stravinsky The Rite of Spring en Londres en 1962 y para la ópera Samson et Dalila de Camille Saint-Saëns, también en Londres, en 1981. El trabajo de Nolan ha sido exhibido internacionalmente. y muchas de sus pinturas y grabados se encuentran en las colecciones permanentes de la Tate Gallery en Londres y del Museum of Modern Art en la ciudad de Nueva York. Fue nombrado caballero en 1981 y se convirtió en miembro de la Orden del Mérito en 1983.
Murió en Londres en 1992