Amaury Nolasco a effectué ses études de biologie à Porto-Rico, avec l'intention de devenir docteur. Il tient cependant quelques petits rôles d'acteur, avant de décider de changer de voie et de se lancer dans l'art dramatique. Il part alors s'installer à New-York, où il prend des cours de jeu à l'American British Dramatic Arts School.
Il apparaît dans quelques épisodes de séries telles qu'Urgences ou Les Experts. Son premier véritable rôle sera dans Aniki, mon frère de Takeshi Kitano. On le retrouve ensuite dans 2 Fast 2 Furious. Enfin, il obtient le rôle qui le fera véritablement percer dans le show business: celui de Fernando Sucre dans Prison Break.
 
Depuis 2008, il vit en couple avec l'actrice Jennifer Morrison