Jonathan Nolan naît à Londres d'un père anglais et d'une mère américaine. Il possède les nationalités britannique et américaine. Après avoir grandi dans la région de Chicago, Nolan sort diplômé de la Loyola Academy de Wilmette en 1994, puis de Georgetown University à Washington en 1999.
En , le réalisateur McG confirme, lors d'une conférence de presse, que Jonathan a collaboré au script de son film Terminator Renaissance. Nolan n'est cependant pas crédité au générique
[1],[2]. En , il travaille sur le scénario du troisième film basé sur le personnage de Batman réalisé par son frère, The Dark Knight Rises, avec ce dernier et David S. Goyer. Il se consacre par la suite au film suivant de son frère, Interstellar, qui sort en 2014.
En , la série télévisée Person of Interest qu'il a créée, est lancée. Elle est notamment produite par J. J. Abrams. En 2016, sa femme Lisa Joy et lui sont les créateurs, producteurs et réalisateurs de la série télévisée Westworld, qui compte notamment Anthony Hopkins à la distribution.
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