Nello Pagani commence sa carrière de motocycliste en 1928 sur une Ancora 125 cm³. Il remporte sa première victoire en 1931 à Varèse, puis s'impose rapidement sur la scène nationale, décrochant son premier titre italien en 1934. Engagé chez Moto Guzzi à partir de 1936, il remporte le Grand Prix d'Allemagne en 250 cm³ en 1939, sa première victoire internationale.

Après la Seconde Guerre mondiale, il reprend la compétition en 1946 avec Gilera. En 1947 et 1948, il se distingue également en automobile en remportant le Grand Prix de Pau au volant d'une Maserati. Mais c'est en 1949, lors de la première édition du championnat du monde de vitesse moto, qu'il marque l'histoire : engagé en 125 cm³ sur une FB Mondial et en 500 cm³ sur une Gilera, il devient le premier champion du monde de la catégorie 125. Il est également le premier pilote à remporter deux courses dans deux catégories différentes lors d'un même Grand Prix, à Assen. En 500 cm³, bien qu'il ait marqué le plus de points sur l'ensemble de la saison, il termine vice-champion derrière Leslie Graham, en raison du règlement qui ne prenait en compte que les trois meilleurs résultats.

En 1950, toujours chez Gilera, il termine quatrième du championnat 500 cm³. Cette même année, il participe à son unique Grand Prix de Formule 1, en Suisse, où il se classe septième. Il poursuit sa carrière de pilote de moto jusqu'en 1955, avec des résultats plus modestes, notamment une cinquième place au championnat 500 cm³ en 1951, puis quelques podiums les années suivantes. En 1954, il court pour MV Agusta et participe à des courses internationales au Brésil, où il remporte deux épreuves en 125 cm³.

Après sa retraite sportive, Pagani devient directeur sportif chez MV Agusta. Il y joue un rôle clé dans le recrutement de John Surtees, qui deviendra champion du monde de moto et de Formule 1.