Petit-fils du sculpteur Constantino Nivola, Alessandro Nivola débute sa carrière alors qu'il n'a pas encore quitté les bancs de l'université de Yale en interprétant le rôle principal d'une pièce de théâtre à Seattle, avant de frôler les planches de Broadway, dès 1995, dans Un mois à la campagne, où il joue le jeune amant d'Helen Mirren. Il lui faut cependant attendre deux ans avant de décrocher ses premiers rôles au cinéma, aux côtés de Joaquin Phoenix dans Les années rebelles (1997) ainsi que dans le brillant Volte/Face (id.) où il campe le petit frère vicieux de Nicolas Cage.

L'année suivante, il adopte un accent anglais dans le drame I Want You (de Michael Winterbottom) dans le rôle de l'ex de Rachel Weisz, avant de participer à un casse qui tourne mal dans Un coup d'enfer (1999), de s'essayer au film expérimental avec Time Code (Mike Figgis, 2001), puis de tourner sous la direction de Kenneth Branagh dans la comédie Peines d'amour perdues (id.). Revenu à l'ère moderne des dinosaures dans Jurassic Park III (id.), il est en 2004 successivement à l'affiche du thriller L'Enlèvement et du drame Laurel Canyon, où il incarne un rockeur qui a une relation avec Frances McDormand.

Enchaînant en parallèle plusieurs films qui restent inédits en France, le comédien fait preuve d'un impressionnant jeu de jambes dans le premier opus de la trilogie Goal! (un rôle de composition qu'il reprendra en 2007 dans Goal II) avant de participer à la nouvelle vague de l'horreur asiatique - revisitée à la sauce américaine - en incarnant un docteur dans The Eye (2008), puis d'adopter John Cusack en tant que figure paternelle le temps du film Grace is gone (id.). Lorsque Patricia Rozema adapte sur grand écran le roman Mansfield Park de Jane Austen (2009), elle lui confie le rôle du soupirant de l'héroïne - arborant une collerette dont il se débarrasse dans le drame moderne The Girl in the Park (id.).

L'année qui suit, il joue le rejeton d'un Christopher Walken mourrant dans la comédie Un amour de père, puis se retrouve devant la caméra d'Anne Fontaine dans la peau du joueur anglais de polo Boy Capel, qui tient sa notoriété de la relation qu'il a entretenu avec Coco Chanel (Coco avant Chanel, 2010).

En 2012, il s'illustre auprès de James Franco dans Howl, biopic intello sur le sulfureux poète Beat Allen Ginsberg, puis partage la joyeuse affiche de The Darwin Awards, une enquête comique adaptée d'un réel site internet, signée Finn Taylor, avant de chapeauter les rêves d'Elle Fanning et Alice Englert dans Ginger & Rosa (Sally Potter, 2013), deux adolescentes embarquées dans la révolution sexuelle et les revendications politiques des années 60 en Angleterre. Solide second rôle, Alessandro Nivola tourne sous la houlette de prestigieux réalisateurs, comme David O. Russell (American Bluff), J.C. Chandor (A Most violent year), Ava Duvernay (Selma) ou Barry Levinson (The Wizard of Lies).

En 2021, Alessandro Nivola incarne le premier rôle du prequel de la série culte Les Soprano, Many Saints of Newark - Une histoire des Soprano. Plus précisément, le natif de Boston campe Dickie Moltisanti, le père de Christopher et le mentor de Tony. Il campe ensuite deux détectives, tout d'abord dans Amsterdam de David O. Russell puis dans L'Étrangleur de Boston. En 2024, il se glisse dans la peau du producteur d'Easy Rider Bert Schneider dans la série The Big Cigar, et joue l'homme rhinocéros bourrin à souhait dans Kraven the Hunter, sixième film du Sony's Spider-Man Universe.