Après des études de théâtre à Milan, le jeune Francesco Castelnuovo, dit Nino, débute sur grand écran à la fin des années 50. Mais c'est en 1960, avec un petit rôle dans le Rocco et ses frères de Visconti, que sa carrière démarre véritablement.

En 1964, Nino Castelnuovo devient mondialement connu grâce à son rôle de Guy Foucher, l'amoureux de Geneviève (Catherine Deneuve) dans Les Parapluies de Cherbourg de Jacques Demy. La comédie musicale, qui remporte la Palme d'or à Cannes, ne fait pourtant pas décoller la carrière du comédien, qui tourne ensuite majoritairement dans son pays.

En dehors de ses tournages en Italie, avec notamment la très populaire série I promessi sposi, Nino Castelnuovo joue pour Agnès Varda (Les Créatures) ou encore Edouard Molinaro (L'Emmerdeur, avec le rôle du garçon d'étage Bellhop). Au milieu des années 90, l'acteur transalpin avait connu une expérience internationale en incarnant l'archéologue D'Agostino dans Le Patient anglais d'Anthony Minghella.