Né d’une mère chinoise et d’un père américain, ce nageur intègre rapidement l’équipe nationale. Lors de ses débuts aux Jeux olympiques de 2008, Adrian a seulement nagé le relais 4×100 mètres nage libre et a remporté une médaille d’or avec l’équipe des États-Unis. Mais c’est aux Jeux olympiques de Londres 2012 que Adrian a remporté en plus d’une médaille d’or en relais, la couronne du 100 m nage libre, la discipline-reine.

Aux Jeux olympiques de 2016, avec Michael Phelps, notamment, il a remporté deux médailles d’or au relais 4×100 mètres nage libre et 4 x 100 m quatre nages, ainsi que des médailles de bronze individuelles au 50 m et au 100 m libre.

Une ombre au tableau toutefois, le champion a dû lutter contre un cancer des testicules. Nathan Adrian est revenu à la compétition en 2019 et il espère pouvoir disputer les Jeux de Tokyo 2020.