Kent Nagano est né à Berkeley, en Californie, le 22 novembre 1951. Il commence le piano à l'âge de quatre ans avant d'essayer d'autres instruments comme la clarinette, l'alto et le koto, instrument traditionnel japonais. Il fait ses premiers pas comme chef d'orchestre dès l'âge de huit ans en dirigeant un choeur d'enfants à l'église.
Passionné de musique classique et contemporaine, Kent Nagano voit son avenir comme avocat mais ses professeurs l'encouragent à poursuivre dans le domaine artistique. Il s'oriente vers la direction d'orchestre sur les conseils de Laszlo Varga. En 1977, il devient chef associé de l'Opéra de Boston. L'année suivante, il est nommé directeur musical de l'Orchestre symphonique de Berkeley, un poste qu'il occupera jusqu'en 2009.
Il devient également l'assistant de Seiji Ozawa à l'Orchestre symphonique de Boston. En 1984, il remplace au pied levé et sans préparation Seiji Ozawa lors d'un concert où est jouée la Symphonie n° 9 de Mahler. Kent Nagano éprouve aussi une passion pour Olivier Messiaen. Il entretient une correspondance avec le compositeur français avant que celui-ci ne le recommande auprès de Seiji Ozawa lors de la première de son opéra Saint-François d'Assise.
Suite à cette représentation, Kent Nagano entame une formation au côté de Seiji Ozawa mais aussi de Pierre Boulez, Leonard Bernstein, Bernard Haitink et Claudio Abbado. La fin des années 1980 lui permet d'atteindre l'excellence. En 1988, il prend la direction de l'Opéra de Lyon pour dix ans et un orchestre avec lequel il enregistre le Dialogues des carmélites de Poulenc et les Chants d'Auvergne de Cantaloube. Ce premier poste en Europe lui donne la possibilité d'aborder un répertoire plus large, du classique au contemporain, avec une grande part accordée aux compositeurs français comme Léo Delibes et Francis Poulenc.
Kent Nagano dirige son premier opéra à Lyon dans La Damnation de Faust de Berlioz. Entre 2000 et 2006, il succède à Vladimir Ashkenazy comme chef principal du Deutsches Symphonie-Orchester de Berlin. Il enregistre alors la Symphonie n° 4 de Brahms et les Variations pour orchestre d'Arnold Schoenberg. En 2001, il devient le premier directeur musical et chef d'orchestre de l'Opéra de Chicago. En 2006, il est nommé simultanément directeur musical de l'Orchestre symphonique de Montréal (succédant à Charles Dutoit) et directeur musical du Bayerishes Staatsorchester de Munich, à la place de Zubin Mehta. À Montréal, il enregistre notamment la Symphonie n° 5 de Beethoven.
Kent Nagano a également collaboré avec des artistes de pop et de rock. En 1982, il dirige le London Symphony Orchestra pour un concert de Frank Zappa. En 1996, il collabore au Festival de Verbier avec Björk.