Nolan naceu en Westminster, Londres, e creceu en Highgate. O seu pai inglés, Brendan James Nolan, era un executivo de publicidade, e a súa nai americana, Christina (nacida Jensen), traballou como asistente de voo e profesora de inglés. A súa infancia dividiuse entre Londres e Evanston, Illinois, e ten tanto a cidadanía británica como estadounidense. Ten un irmán maior, Matthew Francis Nolan, un criminal condenado, e un irmán menor, Jonathan. Comezou a facer películas aos sete anos, tomando prestada a cámara Super 8 do seu pai e rodando curtametraxes coas súas figuras de acción.
sete