Rinaldo Nocentini werd geboren in Montevarchi, een stad in de Italiaanse regio Toscane.
Hij kwam in 1999 terecht bij Mapei-Quick·Step en wist al in zijn eerste jaar twee ritzeges te behalen in de Ronde van Langkawi. In het eindklassement behaalde hij een elfde positie.
Het jaar erna reed hij zijn eerste Ronde van Italië, waar hij als 65e eindigde in de eindrangschikking. Ook het jaar erop reed hij de Giro, maar kwam hij opnieuw niet ver met een 66e plaats. Aan het eind van 2001 stopte Nocentini's ploeg ermee en verhuisde de Italiaan naar Fassa Bortolo. Ook bij zijn nieuwe ploeg kon hij geen potten breken.
Na zijn goede prestaties kon Nocentini weer terecht bij een ploeg op het hoogste niveau, sinds 2007 komt hij uit voor Ag2r. Hij won in zijn eerste jaar de GP Miguel Indurain en een rit in de Ronde van de Middellandse Zee. In 2008 behaalde hij een top 10-plaats in de Ronde van Emilia, werd hij tweede in de eendagswedstrijd Ronde van de Haut-Var en de rittenkoers Parijs-Nice en won hij de GP Lugano. Ook reed hij twee grote rondes, met als beste prestatie een 23e eindnotering in de Ronde van Spanje.
In 2009 reed Nocentini zijn eerste Tour en hij was meteen succesvol. Op 10 juli nam hij de gele trui over van Fabian Cancellara in de Ronde van Frankrijk 2009 na de bergetappe naar Arcalís waarin hij met negen renners was ontsnapt. In de slotklim werd hij nog bedreigd door Alberto Contador die demarreerde uit de groep met favorieten, maar Nocentini hield uiteindelijk zes seconden over. Hij reed in de gele trui tot de 15e etappe, van Pontarlier naar Verbier. Contador won de etappe en nam zo de gele trui over.
