Lloyd Nolan urodził się 11 sierpnia 1902 roku w San Francisco w stanie Kalifornia jako syn Jamesa Nolana i Margaret (z domu Devine) Nolan. Uczęszczał do szkół w Kalifornii, a następnie rozpoczął studia na Stanford University. To właśnie tam, występując w studenckich przedstawieniach teatralnych, odkrył swoje prawdziwe powołanie. W 1927 roku porzucił studia — i plany kariery dziennikarskiej — aby dołączyć do profesjonalnej trupy teatralnej. Informacje o wcześniejszej służbie wojskowej nie znajdują jednoznacznego potwierdzenia; jego wizerunek „wojskowego” wynikał raczej z licznych ról filmowych. W latach 1927–1934 był przede wszystkim aktorem scenicznym, występując na Broadwayu i w teatrach repertuarowych. Do filmu trafił w 1935 roku, debiutując w „Stolen Harmony”. Szybko zwrócił uwagę producentów naturalnością gry i charakterystycznym, lekko ochrypłym głosem. Związał się ze studiem 20th Century Fox, gdzie stał się jednym z najbardziej rozpoznawalnych aktorów charakterystycznych lat 30. Największą popularność przyniosła mu rola prywatnego detektywa Michaela Shayne’a w serii siedmiu filmów realizowanych w latach 1939–1942. Choć postać tę grali także inni aktorzy, to właśnie Nolan nadał jej ostateczny ekranowy kształt — łącząc twardość z ironicznym humorem i błyskawicznym tempem dialogów. Był ceniony za zdolność mówienia bardzo szybko przy zachowaniu perfekcyjnej dykcji, co czyniło go idealnym odtwórcą ról śledczych, prawników i dziennikarzy. W latach 40. i 50. występował w licznych filmach kryminalnych i dramatycznych, a równolegle odnosił sukcesy w teatrze i telewizji. Jednym z jego największych triumfów artystycznych była rola komandora Queega w sztuce „The Caine Mutiny Court-Martial”. Za telewizyjną adaptację z 1955 roku otrzymał nagrodę Emmy. Drugą nagrodę Emmy zdobył w 1969 roku za rolę doktora Mortona Chegleya w serialu „Julia” (1968–1971), produkcji przełomowej społecznie, przedstawiającej czarnoskórą bohaterkę w pozytywnym, nowoczesnym kontekście. Pozostał aktywny zawodowo niemal do końca życia. Jego ostatnią rolą kinową był występ w filmie „Hannah and Her Sisters” w reżyserii Woody’ego Allena — produkcja weszła do kin już po jego śmierci. W życiu prywatnym w 1926 roku poślubił aktorkę Mellie Smith, z którą pozostał aż do jej śmierci w 1981 roku. Mieli dwoje dzieci: córkę Melindę i syna Jaya. Śmierć syna w 1969 roku w wieku 26 lat była dla aktora ogromną tragedią. Jay cierpiał na autyzm w czasach, gdy wiedza o tym zaburzeniu była ograniczona, co skłoniło Nolana do zaangażowania się w działania na rzecz budowania świadomości społecznej w tym zakresie. Lloyd Nolan zmarł 27 września 1985 roku w Los Angeles na skutek nowotworu płuc. Został pochowany na Westwood Village Memorial Park Cemetery w Los Angeles. Pozostaje w historii amerykańskiego kina i telewizji jako aktor o wyjątkowej długowieczności zawodowej — mistrz ról detektywów i wojskowych, zdobywca dwóch nagród Emmy oraz artysta, który z powodzeniem przetrwał przejście od klasycznego Hollywood do złotej ery telewizji.