Leo Nomellini wurde in Italien geboren und wanderte mit seinen Eltern im Alter von vier Jahren in die USA aus. Er wuchs in Chicago auf, wo er auch die High School besuchte. Um seine Familie zu unterstützen und sich seinen Lebensunterhalt zu verdienen, arbeitete er in einer Gießerei. Ab dem Jahr 1942 leistete er seinen Wehrdienst bei den U.S. Marines und spielte dort für ein Jahr American Football bei einer Marinemannschaft. Anschließend kämpfte er im Pazifischen Ozean und nahm an den Kämpfen in Saipan und Okinawa teil. Im Jahr 1946 erhielt er ein Stipendium an der University of Minnesota.