Nosov se narodil roku 1908 v Kyjevě, v rodině estrádního umělce. V letech 1927-1929 studoval uměleckou školu v Kyjevě, poté přešel na Státní institut kinematografie v Moskvě. Po úspěšném dokončení studia na fakultě režie v roce 1932 nastoupil jako režisér a výtvarník-animátor kreslených a populárně naučných filmů v Moskvě. Zde pracoval do roku 1951.

První povídky začal Nosov publikovat v roce 1938, z nichž většina byla otištěna v dětském časopise Murzilka. Jejich typickým hlavním hrdinou je citlivé, naivní a zvědavé dítě, které se právě díky těmto vlastnostem dostává do mnoha neobvyklých a komických situací.

V následujících letech napsal Nosov řadu dalších povídek i románů pro děti. Ve své době získal značnou popularitu svými příběhy pro dospívající mládež: Veselá rodinka (1949), Deník Kolji Sinicyna (1950) a Víťa Malejev ve škole i doma (1951). Největší dlouhodobý věhlas však Nosovovi nesporně přinesla trilogie o Neználkovi (Neználkovy příhody, Neználek ve slunečním městě a Neználek na Měsíci), která byla i několikrát zfilmována. Řada animovaných filmů vznikla i podle dalších Nosovových knih.

Nikolaj Nosov zemřel v Moskvě ve věku 67 let.