Sondrio-ban született. 1913-ban szerzett diplomát a bolognai egyetemen. Az I. világháborúban műszaki tisztként szolgált, majd mérnökként dolgozott Bolognában és Firenzében. Első fontos műve a firenzei stadion, amelyet 1932-ben fejezett be. Ez évben alapították meg unokaöccsével a Nervi és Bartoldi irodát Rómában, ahol egész életében dolgozott. Szerkezeti újítása volt a ferrocement, amelyben vékonyszálú, sűrű vasháló erősíti meg a nagy fesztávú beton héjszerkezeteket. Művei egyszerre építészeti és mérnöki produktumok. 1947-ben a római egyetem professzora lett. 1950-ben Breuer Marcellal és Bernard Zehrfuss-sal őt bízták meg a párizsi UNESCO-székház megtervezésével. 1955-ben részt vett a milánói Pirelli-ház, az első olasz felhőkarcoló tervezésében, amelynek vasbeton pillérei 25 m-re helyezkedtek el egymástól, jóval távolabb, mint az amerikaiak acélvázainak elemei. Az épület statikai viselkedését bergamói laboratóriumában tesztelte. Épültek magasházai Montrealban és Sydneyben is. Az 1960-as római olimpiára ő tervezte a Kis és a Nagy Sportcsarnokot. Az előbbi héjfödémének íves merevítő bordái a napraforgótányér mintázatát követik. 1961-62-ben épült első amerikai épülete, a New York-i buszpályaudvar. Ő tervezte a New Hampshire-i Dartmouth College épületét, valamint a San Franciscó-i székesegyházat is. A Harvard egyetem oktatója lett, majd 1963-ban díszdoktorrá avatták, s elnyerte az amerikai építészek aranyérmét is. Fontos hazai épületei a római Gatti gyapjúgyár és a torinói Munka Palotája. Az ő műve a Vatikánban a pápa nyilvános kihallgatási csarnoka, a Nervi-terem. Nervi vezette be az építészetbe a háromdimenziós szerkezeteket. Statikai kutatásai során újtípusú konstrukciókat hozott létre, s hirdette: `az anyagok, a statika, a szerkezeti technológia, a gazdaságosság és a funkcionális igények nem mások, mint az építészeti nyelv szavai`.