Hijo de una familia dedicada a la fabricación y el comercio de pasta alimenticia, muestra tempranamente dotes para el dibujo, vocación que logrará imponer frente a las iniciales reticencias de su familia. En el colegio de San Miguel de la Ronda de San Pedro, coincide y entabla amistad con Joaquín Mir. Apoyado por su familia, asiste a las clases de dibujo de la academia de dibujo de Josep Mirabent y en 1886 a la del pintor Gabriel Martínez Altés. En 1888, se matricula junto a Mir en la academia de La Llotja, asistiendo a las clases de Dibujo General Artístico y al taller de Lluís Graner. En 1891 participa en la Exposición General de Bellas Artes con la obra “Interior” que pasó desapercibida para la crítica del momento.

Influenciado por la lectura de las obras de Zola, Nonell junto con sus compañeros de academia, descubren el paisaje de los suburbios de Barcelona y los desheredados que los habitan, convirtiéndose éste en uno de los temas que van a vertebrar toda su obra. En la década de los noventa, continúa su formación en la Llotja y comienza su fructífera colaboración con el diario La vanguardia. En 1897, se instala en París junto con Canalls y Sunyer donde toma contacto con las obras del impresionismo y comienza a exponer en las galerías que acogen a los pintores más jóvenes que no eran admitidos en los salones oficiales. En 1898 regresa a Barcelona, entrando de lleno en el círculo artístico de “Els Quatre Gats” que va a propiciar su paulatino reconocimiento como dibujante.

El cambio de siglo, le va a vincular a la sala Parés, donde comienza a exponer con asiduidad, tras una primera muestra de obras que representaban “gitanos” y en especial mujeres de esta raza. Si bien la crítica califica su pintura de “delirio artístico” y el público en general no logra entender su obra, apartada de los parámetros tradicionales, Nonell no deja de pintar y exponer, firme en sus presupuestos. Marcado por el impresionismo, se le adscribe al modernismo. Forma parte de la llamada "pintura negra" española, junto a Regoyos o Solana.

En 1908 participa en el Salón des Indèpendants de París con sus obras denominadas “Estudio” en las que da paso a una mayor luminosidad y a una ampliación de la gama cromática, a la vez que las gitanas, dejan de ser las modelos de sus cuadros.

En 1909, comienza su colaboración con la revista de corte crítico – humorístico, “Papitu” que a lo largo de ese año, publica treinta y cuatro dibujos suyos, al ser mucho más valorada su faceta como dibujante que su obra pictórica, hasta que en 1910, realiza su primera exposición de pinturas desde el año 1903, logrando con ella un éxito inusitado y alcanzando por fin, el reconocimiento unánime de crítica y publico.

El día 2 de febrero de 1911, fallece víctima del tifus, convirtiéndose tras su muerte, en una de las más importantes figuras del arte Español.