En una ocasión su padre le partió en dos la bicicleta delante de él como castigo por haberse peleado con un compañero en la escuela, aunque posteriormente se la arregló.

La escasa tradición e infraestructura ciclista en Sicilia hizo que Nibali no compitiera hasta los 14 años.

Con 16 años dejó la isla para mudarse a la Toscana, una región del norte de Italia con gran tradición ciclista.

En 2003 logró siete victorias, incluyendo dos triunfos de etapa en una Vuelta a Austria en la que concluyó segundo en la clasificación general.

Nibali fue precisamente tercero en el Mundial sub-23 contrarreloj, subiendo al podio para recibir la medalla de bronce.

Varios ciclistas de la extinta escuadra, principalmente Alessandro Petacchi y sus lanzadores (incluyendo a Marco Velo), pasaron al nuevo equipo Team Milram que heredaba a su vez la licencia ProTour del también desaparecido Domina Vacanze, aunque Nibali no fue uno de ellos.

En la ronda italiana actuó como gregario para el jefe de filas del Liquigas, Danilo Di Luca, que terminó ganando la carrera, logrando así subir al podio final de Milán con la maglia rosa.

En 2009 ganó el Giro de los Apeninos, lo cual le hizo presentarse confiado a la Grande Boucle.

La lucha por el maillot rojo de líder se mantuvo hasta la penúltima jornada con final en la inédita y dura ascensión a la Bola del Mundo, en una carrera en la que también fueron protagonistas Igor Antón (líder hasta su abandono por una caída) y Joaquim Rodríguez (cuarto final, y al que arrebató el liderato en la contrarreloj de Peñafiel).

Finalizó 7.º en la general, y su año terminó sin victorias (aunque después se le otorgaría el triunfo en la cronoescalada del Giro por descalificación de Alberto Contador).

[6]​ Se unía así a Giussepe Martinelli, antiguo director del añorado Marco Pantani.

Días más tarde en febrero, participó en el Tour de Omán, donde en la única etapa de montaña llegó en 4.º lugar, en la clasificación general llegó séptimo a 1 min 19 s del líder Chris Froome ganador final.

Más tarde vencería en la Tirreno-Adriático[7]​ sobre Chris Froome, que tenía bajo control la carrera.

Un mes después, Nibali regresaba a la competición, en el Giro del Trentino, donde tras una lucha con Bradley Wiggins se llevaría una etapa y la clasificación general, repitiendo así su triunfo de 2008.

En la cuarta etapa, Nibali consiguió vestirse el maillot de líder, pero lo perdió en la octava para recuperarlo tres días después en la contrarreloj.

Sin grandes actuaciones finalizó 21.º en la París-Niza, 44.º en la Milán-San Remo, 52.º en la Amstel Gold Race, 14.º en la Flecha Valona y 30.º en la Lieja-Bastoña-Lieja.

De ahí en adelante el italiano no tuvo rivales y fortaleció su liderato día a día, ya que sus rivales más cercanos (Richie Porte, Alejandro Valverde) estaban muy lejos del nivel del siciliano.

[11]​ Nibali inició la temporada como en años anteriores, en dos vueltas menores, como era el Tour de San Luis, en Argentina, y el Tour de Omán, donde venció en la cuarta etapa, que era la "etapa reina", ganando así también la clasificación general.

En la siguiente etapa, de Pinerolo a Risoul, conseguiría romper la carrera en el col del Agnello, quedándose reducido el grupo de favoritos a tres, con Vincenzo Nibali, Esteban Chaves y Steven Kruijswijk.

En la bajada, Vincenzo Nibali y Esteban Chaves consiguieron poner nervioso al líder Steven Kruijswijk, que acabaría sufriendo una desastrosa caída.

[15]​ En la penúltima etapa del Giro de Italia, y última de montaña, con llegada en Sant'Anna di Vinadio, finalizaría la etapa 6.º, consiguiendo aventajar a la maglia rosa en 1 minuto y 36 segundos, arrebatándole in extremis la maglia rosa al colombiano Esteban Chaves.

Finalmente brilló en abril al ganar el Tour de Croacia, donde venció a Jaime Rosón en la clasificación general durante la última etapa.

[18]​ Una victoria que dedicó a su compatriota y excompañero de equipo en Astana, Michele Scarponi, quien murió accidentalmente el día anterior.

Un éxito inesperado, ya que el líder del equipo para la victoria era Sonny Colbrelli.

Hacía doce años, con la victoria de Filippo Pozzato en 2006, que un italiano no ganaba La Classiquisima.

Luego corre la Strade Bianche, que termina 31.º a 10 minutos del vencedor Julian Alaphilippe, y la Tirreno-Adriático, donde, a pesar de sufrir en algunos momentos, logra mantenerse todos los días con los mejores, terminando en la decimoquinta plaza de la general.

En la primera etapa, una contrarreloj de 8 km que finaliza con la subida al Santuario della Madonna di San Luca, demuestra estar ya en buenas condiciones al terminar en tercer lugar a las 23" de Primoz Roglic.

En octubre participa en el Giro dell'Emilia donde concluye en la posición 23, cediendo en el inicio de la última, San Luca, y en la Tres Valles Varesinos, donde por un error de una moto que indica mal a su grupo, se retira.

Con Lombardia cierra su temporada y su aventura con Baréin-Mérida.En 2020 logró un cuarto puesto en la carrera por etapas París-Niza a 1'16'' detrás del ganador Maximilian Schachmann.

Siendo uno de los seis corredores que ganaron las tres grandes rondas a 2014, su historial no tuvo la misma importancia en los clásicos.