ロンドンでコピーライターの父と客室乗務員の母のもとに生まれる[1][2]。父親はイングランド人、母親はアメリカ人であるため、イギリスとアメリカの国籍を持つ。幼少の頃はロンドンとシカゴの両方で過ごした。その後ハートフォードシャーのインデペンデント・スクールであるヘイリーベリー・アンド・インペリアル・サービス・カレッジを卒業後、ユニヴァーシティ・カレッジ・ロンドン大学に入学。英文学を学ぶ傍ら、短編映画の制作をはじめる。映画製作ではなく英文学を専攻した理由については「視野を広げるため」と語っている。大学を選んだ理由は映画製作施設の整っていることも挙げており、同大学の映画ソサエティの部長を務めた。
デビューとブレイク

子供の頃から8ミリで撮影を始め、1989年に短編「tarantella」が公共放送サービスで放映される。1999年、脚本・撮影・共同編集・監督・共同製作を担った『フォロウィング』で長編映画にデビュー。2001年の『メメント』では弟のジョナサン・ノーランの短編を原作にしており、低予算ながらも時系列を逆行したストーリーが全米の口コミで話題を呼び、興行的には異例の成功を収める。また、弟と共にアカデミー脚本賞にもノミネートされた。
『ダークナイト トリロジー』での成功

『メメント』の成功により一気にハリウッドでも注目を浴びるようになると、2002年の『インソムニア』では監督として雇われ、成功を再び収める。更には『バットマン』シリーズの脚本・監督に抜擢され、2005年公開の『バットマン ビギンズ』では期待に反し平凡な興行成績に留まるも、2008年公開の続編『ダークナイト』は公開6日で『バットマン ビギンズ』の興行収入を超えて『バットマン』シリーズ最大のヒットとなり、最終的に全米興行収入歴代2位、世界興行収入歴代4位を記録した（全て公開時）。また、悪役「ジョーカー」を演じたヒース・レジャーが第81回アカデミー賞助演男優賞を死後受賞したが、その年のアカデミー作品賞にノミネートされなかったことが物議を醸した（この議論を受け、翌年からアカデミー賞は作品賞の候補作品数を5作品から最大10作品にまで引き上げた）。この作品の成功によりノーランが脚本・監督したこのシリーズは『ダークナイト トリロジー』と呼ばれるようになった。2012年公開の完結作『ダークナイト ライジング』でも監督を務めた。
2010年代2013年

2010年代に入ると、製作費1億ドル超（所謂ビッグバジェット）のオリジナル作品を連発していくようになる。2010年のSFアクション映画『インセプション』では、その年の全世界興行成績4位となる約8億ドルを記録。第83回アカデミー賞では作品賞を含む8部門にノミネートされると、撮影賞を含む技術部門で4冠を獲得した。2014年のSF映画『インターステラー』でも、全世界興行収入で約6億ドル強を記録。2017年公開の『ダンケルク』では、自身としては初となる歴史物に挑戦。第二次世界大戦におけるダンケルク大撤退を陸海空の3視点で描き、全世界で約5億ドルの興行成績を叩き出した。また、第90回アカデミー賞では作品賞を含む8部門にノミネートされ、技術部門で3冠を受賞し、自身も初の監督賞ノミネートを果たした。
2020年代

2019年1月25日には、次回作『TENET テネット』の公開日が2020年7月17日であるとワーナー・ブラザースが発表した。しかし新型コロナウィルス感染拡大の影響でアメリカ国内では映画館が閉鎖されている状況を受け、公開日は7月31日、8月12日と延期され、最終的には8月26日に欧州から段階的に世界で公開し、全米公開は9月2日となった（日本国内公開は当初の予定通り9月18日）。この影響で、『TENET テネット』の全米興収は約5700万ドルと大きく低迷、興行としては失敗に終わった（ただし2020年の全世界興行収入としては5位である[3]）。

2021年9月、ノーランは次回作の製作と配給をこれまでのワーナーからユニバーサル・ピクチャーズに変えることが決まったと報じられた。