Il padre, Brendan James Nolan, era un dirigente pubblicitario, mentre la madre, Christina (nata Jensen), era un'insegnante di inglese. La sua infanzia è stata divisa tra Londra e Evanston, Illinois, e ha la cittadinanza britannica e statunitense. Ha un fratello maggiore, Matthew Francis Nolan, un criminale condannato, e un fratello minore, Jonathan. Ha iniziato a fare film all'età di sette anni, prendendo in prestito la fotocamera Super 8 di suo padre e girando cortometraggi con le sue figure d'azione. Crescendo, Nolan è stato particolarmente influenzato da 2001: A Space Odyssey (1968) e Star Wars (1977).
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