Il mène la WCHA, division de la NCAA, au chapitre des points marqué au cours de la saison 1962-1963. Ce qui lui fait mériter une place sur l'équipe toute étoiles de cette division ainsi que les mêmes honneurs au niveau de l'Ouest américain. Au terme de cette saison, il est appelé à rejoindre l'équipe des Mustangs de Rochester de la United States Hockey League avec qui il joue d'abord les deux premières années uniquement les fins de semaines, puis de 1965 à 1967, il obtient un poste permanent avec les Mustangs.
Ayant obtenu la citoyenneté américaine au cours de l'été 1967, il est invité à rejoindre l'Équipe nationale des États-Unis avec laquelle il prendra part aux Jeux olympiques d'hiver de 1968. En mars 1968, Lou Nanne signe un contrat à titre d'agent libre avec les North Stars du Minnesota, il s'aligne alors avec l'équipe pour deux rencontres obtenant au cours de ceux-ci son premier point (une passe) dans la ligue nationale.
Après avoir commencé la saison 1968-1969 avec les clubs affiliés au North Stars, Nanne se déniche un poste permanent avec l'équipe, poste qu'il conservera durant les dix saisons qui vont suivre. Jumelé à Murray Oliver et Dean Prentice, il connait sa meilleure saison en carrière en 1971-1972, obtenant un total de 21 buts. Certes pas un fin marqueur, Nanne démontre sur la glace de grande habileté en tant que fabricant de jeu et est l'homme de confiance de son entraîneur lorsqu'il s'agît de jouer en infériorité numérique.
Nanne refait apparition au niveau international à l'occasion du championnat du monde de 1976 où l'équipe des États-Unis termine quatrième, puis quelques mois plus tard, toujours avec les États-Unis, il participe à la première Coupe Canada. Il prend part à nouveau au championnat du monde l'année suivante avant d'annoncer son retrait de la compétition. Au total il joue plus de 600 rencontres et obtenu plus de 200 points dans la LNH.
Carrière de directeur-général
À l'été 1978, Nanne accepte les postes de directeur-général en plus du poste d'entraîneur-chef des North Stars du Minnesota qu'il a occupé une partie de la saison précédente. Il démissionne cependant de son titre d'entraineur avant le début de la saison 1978-1979 afin de se concentrer pleinement sur la reconstruction de l'équipe. Il engage alors Harry Howell pour le remplacer comme entraîneur de l'équipe.
Héritant du tout premier choix lors du repêchage de 1978, Nanne sélectionne alors Bobby Smith, futur vainqueur du trophée Calder puis réclame Steve Payne au deuxième tour.
Avec la dissolution des Barons de Cleveland durant l'été, Nanne met la main sur le gardien Gilles Meloche et l'attaquant Al MacAdam, puis l'année suivante, offre un contrat au jeune Dino Ciccarelli qui, au moment du repêchage, avait un bras cassé et fut donc ignoré par les autres équipes de la ligue. Les North Stars connurent alors une progression au chapitre des points et en 1981 atteignent la finale de la coupe Stanley pour la première fois de leur histoire.
La réputation de Nanne en tant que directeur-général fit par ces résultats un bond en avant et il reçut l'offre de diriger l'équipe des États-Unis à l'occasion des Coupe Canada de 1981 et 1984.
