Nolan desarrolló un interés por el cine desde una edad temprana. Después de estudiar literatura inglesa en el University College de Londres, debutó en el largometraje con Following (1998). Nolan ganó reconocimiento internacional con su segunda película, Memento (2000), por la que fue nominado al Oscar al Mejor Guion Original. Hizo la transición de cine independiente a cine de estudio con Insomnia (2002), y encontró más éxito comercial y de crítica con la trilogía The Dark Knight (2005-2012), The Prestige (2006) e Inception (2010), que recibió ocho nominaciones al Oscar, incluidas las de Mejor Película y Mejor Guion Original. A esto le siguieron Interstellar (2014), Dunkerque (2017) y Tenet (2020). Obtuvo nominaciones al Oscar a Mejor Película y Mejor Director por su trabajo en Dunkerque.

Las películas de Nolan se basan típicamente en temas epistemológicos y metafísicos, explorando la moralidad humana, la construcción del tiempo y la naturaleza maleable de la memoria y la identidad personal. Su trabajo está impregnado de imágenes y conceptos de inspiración matemática, estructuras narrativas no convencionales, efectos especiales prácticos, paisajes sonoros experimentales, fotografía de películas de gran formato y perspectivas materialistas. Ha co-escrito varias de sus películas con su hermano Jonathan Nolan y dirige la productora Syncopy Inc. con su esposa Emma Thomas.

Nolan ha recibido muchos premios y distinciones. Time lo nombró una de las 100 personas más influyentes del mundo en 2015, y en 2019 fue nombrado Comandante de la Orden del Imperio Británico por sus servicios cinematográficos.

u siguiente película, Dunkerque, llegó a los cines de todo el mundo el 21 de julio de 2017. Escrita y dirigida por Christopher Nolan, está ambientada en la Segunda Guerra Mundial y se inspira en una historia real, la Operación Dinamo que dio lugar al "milagro de Dunkerque". Mark Rylance, Kenneth Branagh, Tom Hardy y Harry Styles forman parte del reparto.

El 25 de enero de 2019, Warner Bros. anunció una nueva película del director titulada Tenet y que trataría de una acción épica "que evoluciona desde el mundo del espionaje internacional".​ Nolan, como ya hizo en otras de sus obras anteriores, desempeñó los papeles de escritor, productor y director al mismo tiempo. El elenco estuvo compuesto por John David Washington, Robert Pattinson, Elizabeth Debicki, Aaron Taylor-Johnson, Clémence Poésy, Kenneth Branagh y Michael Caine, entre otros.​ Fue estrenada progresivamente a partir del 26 de agosto de 2020 en diferentes países tras sucesivos retrasos debido a la pandemia por coronavirus.

El 8 de octubre de 2021, Variety dio a conocer el próximo proyecto de Nolan titulado Oppenheimer, cuyo rodaje se previó que comenzara a principios de 2022, con fecha de estreno en Estados Unidos el 21 de julio de 2023. El argumento de la película aborda la historia del físico estadounidense J. Robert Oppenheimer, al frente del Laboratorio de Los Álamos y del proyecto Manhattan que desembocó en la invención de la bomba atómica. Se trata de una adaptación del libro ganador del premio Pulitzer American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer escrito en 2005 por Kai Bird y Martin J. Sherwin. Protagonizada por Cillian Murphy, Emily Blunt, Matt Damon y Robert Downey Jr., en la cinta participarán como productores Emma Thomas, Charles Roven y el propio Nolan. Su director de fotografía volverá a ser Hoyte Van Hoytema, así como en el montaje Jennifer Lame y en la banda sonora Ludwig Göransson.