Nato a Roma, Domenico Gnoli, figlio dello storico dell’arte Umberto Gnoli e della ceramista Annie de Garrou, è stato avviato sin dall'infanzia al disegno, per poi dedicarsi da autodidatta alla pittura.
Frequenta da giovanissimo i corsi di incisione e disegno di C.A. Petrucci, direttore della Calcografia Nazionale di Roma.
Nel 1951 partecipa alla mostra Art graphique italien contemporain presso la Galerie Giroux di Bruxelles; tiene la prima personale alla galleria La Cassapanca di Roma e disegna il poster per la versione teatrale di Chéri di Colette, prodotta dalla Compagnia Andreina Pagnani al Teatro Eliseo di Roma.
Nel 1952 si è iscritto al corso di scenografia all'Accademia di Belle Arti di Roma. Già a vent'anni disegna scene e costumi per il Re Cervo di Carlo Gozzi e per Il Mercante di Venezia per la Compagnia di Cesco Baseggio per lo Schauspielhaus di Zurigo.
Nel 1954 si trasferisce a Parigi, dove Jean Louis Barrault lo invita a disegnare le scenografie per La Belle au Bois di Jules Supervielle. Lo stesso Barrault lo presenta a Londra, dove, nel 1955, all'Old Vic Theatre realizza scene e costumi per As you like it di Shakespeare, diretto da Robert Helpmann.
Malgrado il successo ottenuto come scenografo, decide di abbandonare il teatro per dedicarsi alla pittura e al disegno. Nel 1956 va ad abitare a New York dove partecipa alla mostra Contemporary Italian Painters alla Sagittarius Gallery dove l'anno successivo tiene una mostra di quadri e disegni.
Nel 1957 espone disegni e dipinti in una personale alla galleria Arthur Jeffress di Londra e l'anno successivo tiene la prima personale di dipinti in Italia, alla galleria l'Obelisco a Roma. Dalla seconda metà degli anni '50 trascorre molto tempo a New York dove si dedica più intensamente alla pittura pur continuando a collaborare con illustrazioni per alcuni libri pubblicati in America e per diversi periodici facendo reportage che lo portano a fare lunghi viaggi.
Frequenta vari artisti tra cui il grande amico Ben Shahn. Scrive e illustra una lunga favola, Oreste or the Art of Smiling, pubblicata da Simon and Shuster a New York e da Collins a Londra. Ma, sempre più preso dalla pittura, decide di stabilirsi nell'isola di Mallorca.
Nel 1964, dopo una personale alla Galerie Schoeller di Parigi, i galleristi Jan Krugier di Ginevra e Mario Tazzoli di Torino, lo mettono sotto contratto per alcuni anni. Seguono mostre personali a Torino, Napoli e Roma, al Palais des Beaux-Arts di Bruxelles, alla Kestner-Gesellschaft di Hannover.
Nel 1968 prepara una mostra di 40 quadri e cinque sculture in bronzo per la Sidney Janis Gallery a New York.
Il 17 aprile 1970, durante la mostra, muore di cancro al Presbiterian Hospital di New York.
In seguito, sono state organizzate numerose retrospettive in vari musei e importanti gallerie (Ginevra, Bruxelles, Darmstadt, Rotterdam, Parigi, Francoforte, Roma, Madrid, Venezia, Palma de Mallorca, Modena, Prato).
