Hijo de un padre académico de origen italiano y una madre de New England, Allesandro Nivola nació y creció en Boston. Se interesó desde una edad muy temprana en la actuación y en verano solía ir a un campamento donde se estudiaba teatro. Luego fue seleccionado para realizar un periodo de prácticas en el Eugene ONeill Theatre en Waterford, Connecticut, donde comenzó a actuar sobre los escenarios. Su amor por la interpretación continuó mientras estudiaba en la Academia Tony Philips Exeter y en la Universidad de Yale; en su segundo curso de licenciatura en Yale, ya tenía agente y estaba viajando de manera regular a Nueva York para hacer pruebas y audiciones.

Lleva en el mundo del cine desde 1997, cuando debutó con un pequeño papel en El secreto de los Abbott y uno más importante como el hermano de Nicolas Cage, aquel genio psicótico de la película de John Woo Cara a cara.