Allí conoció al también futuro compositor Ennio Morricone, con el que colaboraría realizando los arreglos y dirigiendo bastantes de sus bandas sonoras durante las décadas de 1960 y 1970.

Nicolai dirigió numerosas bandas sonoras compuestas por Carlo Rustichelli, Luis Bacalov o Nino Rota, además de las ya mencionadas de Morricone.

Especialmente activo en el cine durante la década de 1970, compuso bandas sonoras para géneros populares como el giallo o el spaghetti western.

Fue también un habitual colaborador del prolífico cineasta español Jesús Franco, componiendo la banda sonora de 99 mujeres o El conde Drácula entre otras películas del director madrileño.

Compuso también música de cámara y para orquesta sinfónica, en la que utilizó la técnica dodecafónica.