Rápidamente fue creciendo y haciéndose famoso como compositor y director de orquesta. Su primer oratorio, «L’infanzia di San Giovanni Battista», se representó en Milán y París ya en 1923 cuando solo tenía doce años, y su comedia lírica, «Il Principe Porcaro», la compuso en 1926.
De 1930 a 1932, Nino Rota vivió en Estados Unidos y obtuvo una beca en el Curtis Institute de Filadelfia para estudiar composición con Rosario Scalero y orquestación con Fritz Reiner. Regresó a Italia y se licenció en literatura en la Universidad de Milán. En 1937 inició una carrera docente que le llevó a la dirección del Conservatorio de Bari, cargo que ocupó desde 1950 hasta su muerte en 1979.
Tras las composiciones de su infancia, Rota escribió varias óperas, como por ejemplo Ariodante (Parma 1942), Torquemada (1943), Il cappello di paglia di Firenze (Palermo 1955), I due timidi (RAI 1950, Londres 1953), La notte di un neurastenico (Premio Italia 1959, La Scala 1960), Lo scoiattolo in gamba (Venecia 1959), Aladino e la lampara magica (Nápoles 1968), La visita meravigliosa (Palermo 1970), Napoli milionaria (Festival de Spoleto 1977). También escribió ballets como La rappresentazione di Adamo ed Eva (Perugia 1957), La Strada (La Scala 1965), Aci e Galatea (Roma 1971), Le Molière imaginaire (París y Bruselas 1976) y Amor di poeta (Bruselas 1978) para Maurice Béjart.