Nicola Larini commence sa carrière dans le sport mécanique par le motocross. Il se tourne ensuite vers le karting, sans grand succès, à l'âge de seize ans.

En 1983, il se retrouve pourtant en Formule Abarth, où il termine neuvième du championnat. La saison suivante, il termine troisième, ayant remporté deux courses. Enzo Coloni lui propose alors de devenir le coéquipier de Marco Apicella dans son écurie de Formule 3. Au volant d'une Martini MK45, il termine sixième du championnat 1985. En 1986, il remporte le championnat de Formule 3 italienne au volant d'une Dallara 386, avec cinq victoires à son actif. Toujours chez Coloni, il passe logiquement en F3000. Malheureusement, cette saison 1987 est un échec pour Nicola en raison de l'inefficacité de sa Dallara.

En F1 avec Coloni

C'est également en 1987 que Nicola fait ses débuts en Formule 1, au volant de la première monoplace construite par Coloni. A Monza, il ne parvient pas à se qualifier, terminant 24e des qualifications, à plus de douze secondes de la pole position. En Espagne, Nicola se qualifie en 26e et dernière position, mais abandonne au début de la course à cause d'un bris de la suspension arrière.

Osella

En 1988, Nicola dispute sa première saison complète en Formule 1 avec l'écurie Osella. Sa monoplace, équipée d'un moteur V8 turbo d'origine Alfa Romeo, se révèle très peu compétitive en raison d'un poids excessif, d'un manque d'appui aérodynamique et d'une surconsommation de carburant. Lors du Grand Prix de Monaco, il réalise son meilleur résultat de l'année en se classant neuvième. Le reste de la saison s'avère particulièrement difficile. Il échoue à de multiples reprises lors des séances de qualifications ou de pré-qualifications. Lorsqu'il parvient à se qualifier, la grande fragilité mécanique de sa voiture l'oblige souvent à abandonner. Hormis une douzième place au Portugal, il ne parvient pas à terminer les autres courses.

Il reste chez Osella en 1989, une année durant laquelle la marque est motorisée par un V8 Ford-Cosworth. Il se fait remarquer au cours de la saison en se hissant à la sixième place lors du Grand Prix de Saint-Marin, avant qu'un échappement puis un disque de frein ne cèdent. Après trois non-qualifications, le pilote italien parvient à réaliser le quinzième temps des qualifications. Sur une piste encore humide, il se hisse à la huitième place à l'issue du premier tour. Il se hisse à la troisième place au 22e tour, avant d'être dépassé par Senna dix tours plus tard. Trois tours plus tard, il est contraint à l'abandon à cause d'une panne électrique. Sur les dix manches suivantes, il se qualifie à cinq reprises, mais abandonne à chaque fois.

Ligier

En 1990, il rejoint Ligier et découvre la JS33B, une monoplace fiable mais peu performante face aux meilleures équipes du plateau, équipée du moteur Ford DFR. Il réalise pourtant plusieurs prestations encourageantes. Malgré des qualifications souvent difficiles, il parvient à tirer le meilleur parti de sa voiture, avec notamment deux septièmes places en fin de saison aux Grands Prix d'Espagne et du Japon, ainsi qu'une dixième place en Australie. Il termine la saison sans marquer de points au championnat.

Lamborghini

En 1991, il signe avec l'équipe Lamborghini, qu'il qualifiera de cauchemar ! La voiture manque clairement de développement et l'équipe souffre rapidement de graves problèmes financiers. L'Italien réalise pourtant l'un des exploits de la saison dès le premier Grand Prix, aux États-Unis. Après avoir franchi les préqualifications, puis s'être qualifié en dix-septième position, il effectue une course solide et termine à une remarquable septième place, à la porte des points. La suite de l'année est beaucoup plus compliquée : il ne parvient à se qualifier que pour quatre autres Grands Prix, se classant seizième en Hongrie et en Italie.

Ferrari

Malgré des débuts assez décevants en Formule 1, il est recruté comme pilote essayeur chez Ferrari en 1992. Parallèlement, il participe au championnat de tourisme italien avec une Alfa Romeo 155 GTA, au sein de l'écurie Alfa Corse. Avec neuf victoires, il décroche le titre.

Après une saison catastrophique chez Ferrari, Ivan Capelli est licencié pour manque de résultats et cède sa place à Nicola Larini pour les deux derniers Grands Prix, au Japon et en Australie. Au volant de la F92A, il se qualifie onzième à Suzuka et franchit la ligne d'arrivée douzième. Deux semaines plus tard, à Adélaïde, il s'élance depuis la dix-neuvième place et termine l'épreuve à la onzième place.

La saison suivante, il s'engage avec Alfa Romeo en DTM, le championnat de tourisme allemand. Il domine ses adversaires et remporte le titre avec dix victoires.

En 1994, alors qu'il est toujours pilote essayeur chez Ferrari, il a de nouveau la chance de piloter en course, puisqu'il remplace Jean Alesi, blessé lors d'essais privés. Qualifié septième pour le Grand Prix du Pacifique, il abandonne au premier virage, victime d'un accrochage avec Ayrton Senna. Lors du Grand Prix suivant, à Imola, il réalise sa meilleure performance en Formule 1 en montant sur la troisième marche du podium. Mais Nicola ne peut malheureusement pas pleinement profiter de ce résultat, car ce Grand Prix est marqué par la mort de Roland Ratzenberger et d'Ayrton Senna.

Dans le championnat DTM, toujours avec Alfa Romeo, il termine troisième du championnat avec quatre victoires. Il ne remporte qu'une victoire, se classant sixième en 1995, puis onzième en 1996, malgré deux victoires.

Sauber

En 1997, Ferrari fournit des moteurs rebadgés Petronas à l'écurie Sauber, ce qui permet à Nicola de faire son retour en tant que pilote titulaire en Formule 1. Lors de la manche d'ouverture en Australie, il franchit la ligne d'arrivée en sixième position, marquant ainsi un point dès sa première apparition sous ses nouvelles couleurs. La suite de sa saison s'avère plus complexe et met en évidence des difficultés à suivre le rythme de son coéquipier Johnny Herbert, tant en qualifications qu'en course. Après une onzième place au Brésil, il est contraint à l'abandon en Argentine à la suite d'un tête-à-queue. Il termine septième au Grand Prix de Saint-Marin, puis abandonne à Monaco à la suite d'une crevaison après avoir heurté le rail. À la suite de cette cinquième course, des désaccords avec la direction de l'équipe au sujet de ses performances et du comportement de la monoplace ont conduit à une séparation anticipée.

L'après-F1

Il retourne ensuite au championnat italien de tourisme avec Alfa Romeo, remportant quelques courses, mais sans parvenir à décrocher le titre. A partir de 2000, il participe au championnat européen de voitures de tourisme, terminant vice-champion en 2001.

En 2005, il est recruté par Chevrolet pour participer au nouveau championnat WTCC. Il y reste jusqu'en 2009, remportant une seule victoire, puis annonce sa retraite à l'issue de cette saison.