Er besuchte zunächst die Militärakademie in Modena und wurde Artillerie-Offizier in Modena, Brescia und Reggio. Für seine Teilnahme an Napoleons Russlandfeldzug wurde er mit dem Orden der Ehrenlegion ausgezeichnet.
Er entschied sich dann Physik zu studieren, besonders die elektrischen Phänomene. 1825 erfand er das astatische Galvanometer, bei dem er das Erdmagnetfeld ausglich, und das er im Mai auf der Italian Society of Science in Modena vorstellte.
Oersted und Fourier hatten 1823 schon eine Thermosäule aus Antimon und Bismut erfunden. 1826 entwickelte Nobili zusammen mit Macedonio Melloni eine neue Thermosäule zur Messung thermischer Strahlung und nannte sie thermomultiplier oder electric thermoscope.
1826 stellte er seine Nobilischen Ringe vor: Es handelt sich um Metallablagerungen infolge einer elektrolytischen Reaktion. Dazu werden zwei mit einer Batterie verbundene Elektroden in eine Metallsalzlösung getaucht, die von einer versilberten Kupferplatte bedeckt ist. 55 Jahre später wurde diese Idee von Adrien Guébhard (1849–1924) aufgegriffen.