Jonathan Nolan est né à Londres, d'un père anglais et d'une mère américaine. Il grandit cependant dans la région de Chicago. Nolan sort diplômé de la Loyola Academy de Wilmette dans l'Illinois en 1994 puis de Georgetown University à Washington en 1999.
En 1999, il débute sa carrière sur le film de son grand-frère
Christopher Nolan, Following, Le suiveur, où il officie comme machiniste.
En 2000, il co-écrit avec son frère le thriller
Memento, qui marque par son originalité. Le film obtient de nombreux prix notamment l'Independent Spirit Award du meilleur scénario, le Prix Edgar Allan Poe du meilleur scénario, ...
En 2006, il adapte avec son frère le roman Le Prestige de Christopher Priest. Le
film du même nom met en scène
Hugh Jackman et
Christian Bale. Les frères Nolan retrouvent ce dernier en 2008 pour
The Dark Knight : Le Chevalier noir, suite de
Batman Begins. Ils collaborent ici avec
David S. Goyer, déjà co-scénariste avec Christopher Nolan de Batman Begins.
En juillet 2008, le réalisateur McG confirme à une conférence de presse que Jonathan a collaboré au script de son film
Terminator Renaissance. Nolan n'est cependant pas crédité au générique.
En février 2010, il est révélé qu'il travaille sur le scénario du 3e
Batman avec son frère et David S. Goyer et qu'il participe également à celui du nouveau film de Superman, Superman: Man of Steel. Le titre du 3e Batman est dévoilé en octobre 2010 : The Dark Knight Rises.