Ses parents désapprouvent son choix, il fuit la maison familiale et se fait embaucher sur un cargo qui sera dévasté par un incendie, mettant ainsi fin à ses désirs d’évasion. Souhaitant toujours devenir comédien, il s’inscrit à la Pasadena Playhouse en 1927. En 1929, sur les planches de Broadway, on le voit entre autres dans la comédie musicale «Cape Cod Follies» où il tient le rôle d’un pirate. En 1931, il est distribué dans la comédie à succès «Reunion in Vienna». Des prestations qui le font suffisamment connaître pour que Darryl F. Zanuck l’appelle à Hollywood. Contrat en poche, il tourne son premier film pour la Warner Bros aux côtés de James Cagney, dans «Les hors-la-loi» (1935), chef-d’œuvre de William Keighley qui évoque le travail des agents du FBI.

Un début prometteur où Lloyd Nolan alterne, dans plus de 80 films et presque autant de séries ou téléfilms, des rôles de crapules, de policiers corrompus ou intègres, de détectives privés, de médecins où encore de militaires. À ses débuts, il est plutôt cantonné du mauvais coté de la loi comme dans «La légion des damnés» (1936), où, avec Fred MacMurray et Jack Oakie, il forme un trio de bandits. Il incarne un criminel dans «Colonie pénitentiaire» (1938) de Louis King; l’avocat corrompu du gangster George Raft emprisonné à Alcatraz dans «Destin dans la nuit» (1939); un criminel qui utilise sa connaissance de la loi à des fins illégales, trahissant même ses amis dans «Gangs of Chicago» (1940) de Archie Mayo.

Eugene Forde lui offre le personnage de Michael Shayne, un détective privé débrouillard et audacieux, dans une série policière de sept films pour la 20th Century Fox. Pour le premier volet, en 1940, «Michael Shayne, détective privé», il est engagé pour protéger la fille d’un homme riche. Herbert I. Leeds termine la série en 1942 avec «Time to Kill» où il doit récupérer une pièce de monnaie de grande valeur qui a été dérobée. En 1943 LIoyd Nolan est à l'affiche de deux films de guerre ; «Bataan» de Tay Garnett, il est l'un des seize soldats de l'Armée américaine perdus dans la jungle de Bataan aux Philippines, et enchaîne avec «Guadalcanal» de Lewis Seiler il campe un marine durant la guerre du Pacifique . En 1945, dans le film d’espionnage « La maison de la 92ème rue» de Henry Hathaway, il interprète un agent du FBI qui tente de découvrir un agent double, il reprend le même rôle dans «La dernière rafale» (1948) de William Keighley avec Mark Stevens et Richard Widmark. Puis Jules Dassin en fait un flic dans «Two smart people» (1947) il est chargé d'accompagner un escroc John Hodiak dans le train de Los Angeles à New York avec Lucille Ball et Elisha Cook Jr. En 1954, Lloyd Nolan retourne à Broadway pour jouer le rôle principal dans «The Caine Mutiny Court Martial». La pièce garde l'affiche pendant un an.

La cinquantaine approchant, ses personnages se diversifient, en témoigne «La dernière chasse» (1956), western de Richard Brooks, où en vieux trappeur alcoolique et unijambiste, il est engagé par Robert Taylor et Stewart Granger pour une chasse aux bisons sur un territoire indiens. Dans «Une poignée de neige» (1957) de Fred Zinnemann, il campe un père désemparé qui subit la descente aux enfers de son fils Don Murray un vétéran de la guerre de Corée dont l'addiction à la cocaïne détruit ses relations avec sa famille et ses proches. Pour Buzz Kulik, dans le drame de guerre «L’odyssée d’un sergent» (1968), il interprète le général Bailey qui décide de défendre le Sgt. Ryker, Lee Marvin, ne croyant pas à la trahison du sergent pendant la Guerre de Corée.

En fin de carrière, Nolie, comme ses amis l’appelle, suit la vague des films catastrophe et obtient un rôle secondaire dans «Airport» (1969) de George Seaton et dans «Tremblement de terre» (1974) de Mark Robson. Il fait aussi un virage vers les séries télévisées, c'est ainsi qu'il joue entre autre dans «Wagon Train», «Bonanza», «Les Incorruptibles», «Laramie », «Daniel Boone».

Sa personnalité hors écran est tout aussi remarquable, après le décès de son fils Jay, atteint d’autisme qu’il a eu avec sa première épouse Mary Mell Efird, il fonde en l’honneur de celui-ci le centre autistique «Jay Nolan Community Services». L'organisation soutient les personnes atteintes d'autisme et d'autres handicaps afin qu'elles puissent vivre de manière autonome et ne pas avoir besoin de soins institutionnels. Il est aussi président du téléthon annuel «Save Autistic Children». En 1983, Lloyd Nolan épouse en deuxième noce la danseuse Virginia Dabney, ils restèrent unis jusqu’au décès de l’acteur le 27 septembre 1985, emporté par un cancer du poumon à l’âge de 83 ans.