Carlo Francesco Nuvolone nacque a Milano nel 1608, figlio del pittore Panfilo Nuvolone. Già nel 1630 dipingeva, insieme col fratello Giuseppe, gli affreschi della Cappella della Vestizione di Santa Chiara al Sacro Monte d'Orta.
La sua prima formazione fu sui modelli del Cerano e del Procaccini, evidenti soprattutto nella Purificazione (1645, Piacenza, Museo Civico), e si arricchì in seguito di elementi della pittura di Van Dyck, palesi soprattutto nel Ritratto di famiglia (Milano, Brera).
In seguito si aggiunse anche l'influenza di Guido Reni, in opere come la Vergine Assunta (Milano, Brera), modellata sull'esempio di quella reniana in Sant'Ambrogio a Genova.
Alcune consonanze stilistiche con la pittura spagnola del Seicento gli valsero il soprannome di Murillo Lombardo, sebbene la critica più recente, basandosi sulla priorità cronologica del pittore, tenda ad invertire il rapporto in suo favore.
Morì a Milano nel 1661.
Ritratto di famiglia (la famiglia dell'artista), Milano, Pinacoteca di Brera