英ロンドン出身。子どもの頃から8ミリで撮影を始め、1989年に短編「tarantella」が公共放送サービスで放映される。ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンで英文学を専攻する傍ら、16ミリ映画を製作。初長編作品「フォロウィング」（98）がトロントなど各国の映画祭で高い評価を受け、続く「メメント」（00）でインディペンデント・スピリッツ・アワードの監督賞と脚本賞を受賞する。

アメコミヒーローのバットマンを新たに描いた「バットマン ビギンズ」（05）、「ダークナイト」（08）、「ダークナイト ライジング」（12）の3部作は、重厚でリアリスティックな世界観でアメコミ映画の新たな潮流を築き、興行面でも大成功を収めた。そのほか「インセプション」（10）、「インターステラー」（14）、「TENET テネット」（20）などオリジナル脚本の超大作を手がけ、実話の映画化に挑戦した「ダンケルク」（17）でアカデミー監督賞に初ノミネートされた。

伝記映画「オッペンハイマー」（23）で、2度目のノミネートにして同賞を受賞。同作は作品賞ほか7部門でオスカーを射とめた。妻は映画プロデューサーのエマ・トーマス、弟は「ダークナイト」などの脚本を共作した脚本家のジョナサン・ノーラン。