Il acquit une certaine renommée en tant que compositeur et chef d'orchestre dès son enfance, son premier oratorio, L'infanzia di San Giovanni Battista, ayant été par exemple représenté à Milan et à Paris en 1923, alors qu'il n'avait que douze ans.
De retour à Milan, il poursuivit ses études en étudiant la littérature à l'université de Milan. Il publia également une thèse consacrée à Gioseffo Zarlino, compositeur de la Renaissance.
Il s'orienta ensuite vers une carrière d'enseignement de la musique, à partir de 1937, qu'il mena de front avec son œuvre de compositeur, et qui le conduisit à prendre la direction, en 1950, du conservatoire de Bari, qu'il poursuivit jusqu'à sa mort en 1979.
Rota écrivit ses premières partitions pour le cinéma dès 1933 pour Treno popolare de Raffaelo Matarazzo, puis pour Zazà (1944), film réalisé par Renato Castellani. Il travailla aussi pour Edgar G. Ulmer, Alberto Lattuada, Henry Cass, Luigi Comencini, Terence Young et Henri Verneuil. Il fit la connaissance du réalisateur Federico Fellini, alors que celui-ci travaillait sur son premier film, Le Cheik blanc (Lo sceicco bianco, 1952). Ce fut le début d'une fructueuse collaboration entre le réalisateur et le compositeur, incluant, entre autres, les musiques des films Les Vitelloni, La strada, La dolce vita. La bande sonore du film Huit et demi est ainsi fréquemment citée comme un des éléments les plus marquants du film, lui donnant une certaine « cohérence ». Il compose également la musique du Satyricon, d'Amarcord, du Casanova de Fellini et de deux des quatre sketches de Boccace 70 dont l'un fut tourné par le « maître ». Son dernier travail avec Fellini est Répétition d'orchestre (Prova d'orchestra) en 1978, un de ses chefs-d'œuvre[1]. La relation Rota - Fellini a été si importante qu'aux funérailles d'État à Rome auxquelles Fellini a eu droit, le célèbre trompettiste italien Mauro Maur joua devant une foule immense l'œuvre « l'Improvviso dell'Angelo » de Nino Rota[2].
En dehors de ses travaux pour le septième art, Nino Rota a également composé dix opéras, cinq ballets et beaucoup d'autres œuvres instrumentales, dont le Concerto Soirée (pour piano et orchestre) (1962).
1962 : Boccace 70 (segments "Le Travail" (Il lavoro) de Luchino Visconti, et "Les Tentations du docteur Antoine" (Le tentazioni del dottor Antonio) de Federico Fellini)