Родился в многодетной семье служащего в Лауро (провинция Авеллино). Умберто Нобиле окончил инженерно-математический факультет Неаполитанского университета, в котором изучал электротехнику и инженерное дело. С 1906 года он начал работать на итальянских железных дорогах, где занимался электрификацией железнодорожного оборудования. В 1911 году по конкурсу, объявленному военным министерством, поступил в воздухоплавательное училище в Риме.
Когда в 1915 году Италия вступила в Первую мировую войну, 29-летний Нобиле несколько раз пытался поступить на службу в армию, но ему было отказано по состоянию здоровья. Во время войны Нобиле работал над конструированием дирижаблей. После войны Нобиле служил офицером-инженером на государственном авиазаводе в Риме, принимал участие в производстве различных типов авиационной техники и дирижаблей. В июле 1918 года Нобиле вместе с инженерами Джузеппе Валле, Бенедетто Кроче и Челестино Узуэлли основали компанию по производству дирижаблей. В это время Нобиле преподавал в университете Неаполя и написал книгу "Элементы аэродинамики". Нобиле пришёл к убеждению, что полужёсткие дирижабли среднего размера превосходят жёсткие и мягкие дирижабли. Первым проектом компании был дирижабль T-34 (1919 г.), который был продан итальянской, а затем американской армии. В 1922 году Нобиле уехал в США, где работал консультантом Goodyear. В 1923 году он вернулся в Италию и начал постройку дирижабля N-1.
В 1926 году Нобиле участвовал в экспедиции на Северный полюс вместе с Руалем Амундсеном и американским миллионером Линкольном Эллсвортом. 10 апреля под командованием Нобиле дирижабль вылетел из Рима в Пулхэм (Англия), затем в Осло и, сделав дополнительные остановки в Ленинграде и Вадсё (северная Норвегия), отправился на Шпицберген, куда прибыл 7 мая. Оттуда 11 мая в 8 часов 50 минут по Гринвичу дирижабль стартовал к Северному полюсу и достиг его в 1 час 30 минут (по Гринвичу) 12 мая. Экипаж провел над полюсом 2,5 часа, обследовал акваторию с воздуха, а затем дирижабль направился на Аляску, где и приземлился 2 дня спустя. Там он был разобран и на транспортном судне доставлен обратно в Италию. После полёта между Амундсеном и Нобиле возник конфликт из-за того, кому принадлежит честь достижения Северного полюса — конструктору и пилоту дирижабля Нобиле, или Амундсену, как начальнику экспедиции. Этот конфликт был усилен фашистской пропагандой, которая прославляла Нобиле и оттолкнула Амундсена и норвежцев. Бенито Муссолини произвёл Умберто в генералы и почётные члены правящей фашистской партии, Нобиле стал итальянским национальным героем.
Нобиле начал готовиться к новому полёту в Арктику почти сразу после возвращения. Был построен дирижабль «Италия», конструкция которого в общих чертах повторяла «Норвегию». Кроме Нобиле в экипаж дирижабля вошли пятнадцать итальянцев, чешский физик Бегоунек и шведский метеоролог Мальмгрен. Перед началом экспедиции Нобиле и его спутников принял в Ватикане Папа римский Пий XI. 15 апреля 1928 года экспедиция отправилась из Милана и прибыла на Шпицберген 8 мая, задержавшись из-за мелких поломок. Из-за плохих метеоусловий Нобиле был вынужден дважды возвращаться на базу, а в полночь с 23 на 24 мая дирижабль с шестнадцатью пассажирами (ещё двое членов экспедиции не принимали участия в этом вылете) достиг полюса. Обратный путь тоже проходил в тяжёлых погодных условиях при сильном встречном ветре. Дирижабль обледенел, в какой-то момент начал резко снижаться и упал на лёд. Катастрофа произошла 25 мая. Сначала о лёд ударилась моторная гондола, и находившийся в ней моторист погиб, затем девять аэронавтов, в том числе Нобиле, были выброшены из разбитой рубки управления. Шестерых людей, оставшихся в дирижабле, унесло в неизвестном направлении, место их гибели так и не было установлено. При аварии Нобиле сломал запястье и голень. Экипажу удалось спасти часть запасов и оборудования, включая еду, радиопередатчик и палатку, которую затем покрасили в красный цвет для облегчения поиска с воздуха. Через несколько дней после падения лагерь покинула группа из трёх человек, которые решили добраться до Шпицбергена пешком. Двое из них в результате были спасены, третий, Мальмгрен, погиб в пути.
Для спасения Нобиле были организованы экспедиции в Италии, Норвегии, Советском Союзе и других странах. 23 июня на льдине, где находился лагерь, сумел приземлиться лётчик шведских ВВС Эйнар Лундборг. На самолёте было только одно пассажирское место. Нобиле настаивал, чтобы первым был эвакуирован механик Чечоне, у которого была сломана нога, но Лундборг отказался взять на борт кого-то из людей, кроме Нобиле, предположительно, по приказу своего командования. Нобиле вместе со своей собакой покинул льдину на самолёте и на следующий день был доставлен на итальянское судно «Читта ди Милано» для руководства операцией по спасению остальных участников своей экспедиции. Все остальные выжившие члены экипажа «Италии» были спасены советским ледоколом «Красин» 12 июля.
После возвращения в Италию Нобиле встретили восторженные толпы итальянцев. Однако итальянская и зарубежная пресса начала обвинять его в крушении и в том, что он оставил свой экипаж, улетев первым. К этому добавились непростые отношения Нобиле с некоторыми влиятельными фашистами. В 1931 году Нобиле уехал в СССР, где 5 лет работал над созданием дирижаблей в поселке Дирижаблестрой. В 1936 году он вернулся в Италию, где продолжал преподавать, но в 1939 году уехал в США. После поражения фашизма в 1945 году итальянские ВВС сняли с Нобиле все обвинения, и он был восстановлен в чине генерал-майора. Нобиле продолжал преподавать в университете Неаполя. В 1946 году баллотировался в Учредительное собрание как независимый кандидат по спискам Итальянской коммунистической партии. Умер в Риме в 1978 году в возрасте 93 лет.
