Inizia a studiare all'età di 9 anni attraverso gli insegnamenti del parroco del paese e del padre Giulio che gli insegna i primi rudimenti musicali.
A 11 anni diventa direttore del coro della Chiesa di San Martino (Bargecchia), piccolo paesino nel comune di Massarosa dove trascorre i primi anni della sua vita. Studia pianoforte con vari insegnanti tra cui Luciano Maraviglia e successivamente a Lucca, all'Istituto Musicale Luigi Boccherini e con Itala Balestri Del Corona e Riccardo Peruzzi. Organo principale con Sandro Sandretti, Composizione con Gaetano Giani Luporini, Fulvio Pietramala e Pietro Rigacci. Studia inoltre tromba con Battista Ceragioli e Andrea Tofanelli, Canto con Marta Pini Lunardi.
Durante gli studi inizia a lavorare al Festival Puccini di Torre del Lago, esperienza importantissima poiché lavora in ogni settore artistico, cosa che gli permetterà di comprendere a pieno il funzionamento della complessa macchina teatrale legata al mondo dell'Opera. Canta nel Coro, suona quindi in Orchestra, fa le prove musicali al pianoforte e dirige i complessi fuori scena sino a diventare l'assistente personale di tutti i Direttori d'Orchestra del Festival. Esperienze importantissime per un giovane aspirante Maestro.
Vince quasi contemporaneamente due audizioni, quella per Artista del Coro al Maggio Musicale Fiorentino e quella per Maestro collaboratore del Teatro alla Scala di Milano. Alla Scala nell'aprile 1989 inizia come Maestro collaboratore di palcoscenico in Don Giovanni (opera), in dicembre ne I vespri siciliani e Lo frate 'nnamorato ed in gennaio in Fidelio. Queste esperienze gli permetteranno di osservare da vicino i grandi Direttori d'Orchestra come Riccardo Muti e Lorin Maazel che saranno fonte di ispirazione per la sua carriera futura. Incontra poi, su suggerimento di Claudio Desderi, Piero Bellugi che gli consiglierà, dopo averne constatato il talento, di intraprendere la carriera di Direttore d'Orchestra.
Vita professionale
Durante un'audizione al Maggio Musicale Fiorentino, Vittorio Sicuri, l'allora Maestro del Coro del Teatro, ne scopre casualmente il talento e gli propone di diventare suo assistente come altro Maestro del Coro del Teatro La Fenice di Venezia. Rimarrà in carica alla Fenice anche come Maestro del Coro per qualche mese prima di andare al Teatro Bellini di Catania dove sarà ancora Maestro del Coro sino a settembre del 1997, anno di inizio della sua carriera direttoriale. Dirige nel circuito lombardo in quell'anno Nabucco e i Carmina Burana a Palermo, ma la vera prima occasione arriva dal Teatro Vittorio Emanuele II di Messina. Lorenzo Genitori nel 1998 lo invita a dirigere la sua prima Tosca in quel Teatro e successivamente Mefistofele e La bohème.
Al Teatro Verdi di Trieste nel dicembre 2000 dirige Stiffelio di Verdi di cui esiste un CD per la Dynamic e ripreso da RaiSat.
Eytan Pessen, l'allora Direttore Artistico di Stoccarda, lo sente dirigere e ne rimane profondamente impressionato. Lo invita quindi nel suo Teatro a dirigere una nuova produzione di Il trovatore. È il 2001 ed è il successo personale di Nicola Luisotti. Tutti i più grandi Teatri se lo contendono, la Scala, Il Carlo Felice di Genova, il Regio di Parma, l'Arena di Verona, Il Verdi di Trieste, il Teatro Comunale di Bologna e naturalmente all'estero, l'Operà di Parigi, Il Covent Garden di Londra, il Metropolitan di New York, il Teatro Real di Madrid, l'Opera di Vienna, l'Opera di Monaco, la Suntory Hall di Tokyo, Los Angeles Opera, l'Opera di Francoforte, il Teatro della Maestranza di Siviglia, la Semper Oper di Dresda.
Nuovamente alla Scala nel 2011 dirige alcuni concerti con la Filarmonica e Attila di Verdi in una nuova produzione di Gabriele Lavia, nel 2012 Tosca e nel 2013 ancora dei concerti con la Filarmonica e ancora una nuova produzione di Nabucco con Leo Nucci, ripreso poi dalla Royal Opera House di Londra con Placido Domingo nel ruolo del titolo.
Ha recentemente diretto al Teatro Real di Madrid e alla Scala di Milano il Rigoletto di Verdi con Leo Nucci e Il Trittico e La Traviata alla Royal Opera House di Londra.
Amato dalle Orchestre di tutto il mondo per la sua naturale spontaneità e creatività, dirige anche alcune tra le Orchestre più importanti del globo: Santa Cecilia di Roma, la Tokyo Symphony, la Russian National Orchestra, i Berliner Philharmoniker, la Bayerisch Rundfunk Orchestra, la NHK di Tokyo, la Cleveland Orchestra, la Philadelphia Orchestra, la San Francisco Symphony, la Atlanta Symphony, la StaatsKapelle di Dresda, la London Philharmonia, la RAI di Torino.
È stato Direttore Musicale di San Francisco Opera dal 2009 al 2018 e Direttore Musicale al Teatro San Carlo di Napoli dal 2012 sino al 2014. È stato inoltre Direttore ospite principale della Tokyo Symphony Orchestra dal 2009 al 2012.
Attualmente riveste il ruolo di "Director Principal Invitado" del Teatro Real di Madrid (dal 2017)
Verdi: I masnadieri - Giacomo Prestia/Aquiles Machado/Artur Ruciński/Lucrecia Garcia/Orchestra e Coro del Teatro San Carlo, regia di Gabriele Lavia, 2012 C Major/Naxos
Boito: Mefistofele - Ildar Abdrazakov/Ramon Vargas/Patricia Racette/San Francisco Opera, regia di Robert Carsen, 2014 EuroArts
Puccini: La Bohème - Angela Georghiu/Ramon Vargas/Ludovic Tézier/Ainoha Arteta/Oren Gradus/Quinn Kelsey/Paul Plishka/MET, regia di Franco Zeffirelli, 2008 EMI
Verdi: Nabucco - Placido Domingo/Lyudmila Monastyrska/Vitalij Kowaljow/Andrea Carè/Marianna Pizzolato/ROH, regia di Daniele Abbado, 2015 SONY
Puccini: Turandot - Irene Theorin/Gregory Kunde/Yolanda Auyanet/Andrea Mastroni/Teatro Real Madrid, regia di Robert Wilson, 2020 Bel air Classique