César Nombela es licenciado en Farmacia y en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense, en 1969. Doctor en Ciencias (Microbiología) por la Universidad de Salamanca (1972) bajo la dirección de Julio R. Villanueva. Investigador postdoctoral en Estados Unidos (1972-75), con Severo Ochoa, en la Universidad de Nueva York y en el Instituto Roche de Biología Molecular (Nueva Jersey).
Ingresó por oposición del CSIC (1975), en el Instituto de Microbiología Bioquímica del CSIC en Salamanca; Profesor Agregado de Microbiología, de las universidades de Santiago de Compostela y Madrid (1979), accedió a Catedrático de Microbiología, en 1981, en la Universidad de Santiago de Compostela, pasando en 1982 a la Universidad Complutense, para ocupar la que fue la primera cátedra de Microbiología de la Universidad española (dotada en 1900) en la Facultad de Farmacia. Fue Director del Departamento durante 16 años.
Su investigación en Biología Molecular microbiana y Biotecnología, se ha centrado en microorganismos eucarióticos modelo, dando lugar a 220 publicaciones, más de 25 tesis doctorales y a la promoción de una escuela integrada por catedráticos y profesores.
Ha sido Presidente de la Sociedad Española de Microbiología (1982-1990) y Presidente de la Federación Europea de Sociedades de Microbiología (1995-98). Patrono de la Fundación Lilly (2001-) y de la Fundación General del CSIC (2012-).