1919年3月17日、アラバマ州モンゴメリーに生まれる。父はバプテスト教会の牧師、母は教会のオルガン奏者。コールは12歳まで母からオルガンを習った。
1930年代からピアニストとして活動。1939年にはピアノ、ギター、ベースの編成からなる「ナット・キング・コール・トリオ」を結成。トリオバンドの先駆けとなる。
1944年、ピアニストでありながらその傑出した声を評価され、「Straighten Up and Fly Right」を発表。大ヒット。
1948年3月28日、歌手マリア・エリントンと結婚。
1950年代はジャズプレーヤーからポピュラー歌手に転身。テレビにも多数出演し、一躍大衆の人気を集める。
その後も、「Mona Lisa」、「Stardust」、チャップリンの映画「モダン・タイムス」のテーマ曲「Smile」など数多くの名曲を歌い上げた。
1965年2月15日、カリフォルニア州サンタモニカの病院で肺がんにより死去。
「Mona Lisa」
ナットのポピュラー路線の代表作。ベルベットボイスが美しい名曲。
「SMILE」
映画「モダン・タイムス」のテーマ曲。元々はインストゥルメンタル曲であるが歌詞を1954年に加え現在までスタンダードとして親しまれている。
「L-O-V-E」
生前最後の大ヒット。日本語版があることも有名。