Nicola Larini fez sua estreia na Fórmula 1 pela equipe Coloni ainda em 1987, já no final do campeonato. No Grande Prêmio da Itália, tentou classificação, mas não obteve sucesso. Já na prova da Espanha conseguiu lugar no grid, mas abandonou logo no início da prova.

Na temporada de 1988 Larini assinou contrato com a Osella e conseguiu um nono lugar no GP de Mônaco daquele ano. Já no ano seguinte, em 1989, tentava passar da pré-classificação em algumas corridas, mas em outras surpreendia e conseguiu figurar no pelotão da frente, como andar em 6º em Ímola antes de ter problema no carro, e em terceiro no Canadá, antes de sofrer uma pane elétrica.

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No ano seguinte, em 1990, ele foi para a Ligier, mas o carro não ajudou a conquistar nenhum resultado importante. Mudou-se para o projeto arrojado da equipe Modena em 1991, com motor Lamborghini e projeto de Mauro Forghieri. Mas, apesar do bom início na etapa de abertura no GP dos Estados Unidos, com um sétimo lugar conquistado, a falta de verba do time não permitiu mais bons resultados e ele só se classificou para mais quatro GPs naquela temporada.

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Em 1992, ele ficou fora do grid, mas assinou um contrato para ser piloto de testes da Ferrari, com o intuito de desenvolver a nova suspensão ativa da equipe, e foi escalado para correr as últimas duas provas, substituindo Ivan Capelli, para testar em corrida justamente o novo componente. Ao mesmo tempo, dividia seu tempo com o Campeonato de Turismo Italiano, correndo pela Alfa Romeo, no qual tornou-se campeão naquele ano. Em 1993, continuou como piloto de testes da Ferrari e conquistou o título do DTM, o Campeonato Alemão de Turismo, também com a Alfa Romeo.

Mas foi em 1994 que apareceu sua grande chance na F1. Como piloto de testes da Ferrari, acabou sendo promovido ao cockpit do time principal para substituir Jean Alesi nos GPs do Pacífico, no Japão (Aida) e de San Marino, Ímola, após o francês se acidentar e sofrer um problema nas costas, em um teste em Mugello, Itália, logo após a primeira prova da temporada no Brasil. Se no GP do Pacífico Larini não teve muita sorte e acabou se envolvendo em um acidente que tirou Ayrton Senna da corrida logo na largada, no GP de San Marino ele consegui seu melhor resultado na Fórmula 1.

Fazendo uma corrida consistente e sem erros, Larini terminou a prova em segundo lugar. Mas o seu feito em Ímola pilotando uma Ferrari – terra de muitos tifosi – foi ofuscado pelos acontecimentos trágicos daquele final de semana, com as mortes de Roland Ratzemberger nos treinos de sábado e de Ayrton Senna no domingo, após violenta batida na curva de Tamburello no início da corrida. Larini foi pela primeira e última vez ao pódio na categoria, ao lado do vencedor Michael Schumacher (Benetton) e do terceiro colocado Mika Häkkinen (McLaren).

Em 1995 e 1996 manteve seus contatos com a Ferrari, o que lhe propiciou uma vaga na equipe Sauber em 1997, quando o time suíço passou a utilizar motores da Scuderia italiana. Conseguiu marcar um ponto com o sexto lugar em seu retorno à F1 no GP da Austrália, mas sua temporada – e carreira na categoria – terminou depois de apenas cinco corridas, devido a desentendimentos com o chefe da equipe Sauber, Peter Sauber.