Dalla natiaAstoria (Oregon), all'età di un anno Gene Nelson seguì la famiglia prima aSeattle e successivamente aSanta Monica (California), dove iniziò ad appassionarsi al ballo e a seguire corsi di danza. Mentre frequentava il liceo, si distinse come ginnasta e come pattinatore sul ghiaccio, facendo il suo debutto sulle scene proprio in quest'ultima veste con laSonja Henie Hollywood Ice Revue nello spettacoloIt Happened on Ice (1937) presso il Broadway's Center Theater. Notato da un talent scout della20th Century Fox, Nelson fece un paio di apparizioni non accreditate sul grande schermo inHo trovato una stella (1939) eEverything Happens at Night (1939), dopodiché fu arruolato e prestò servizio militare durante laseconda guerra mondiale. In quel periodo recitò in un film musicale di propaganda,This Is the Army (1943).
Terminato il conflitto, Nelson riprese la carriera cinematografica e apparve in alcuni altri ruoli non accreditati nei filmBarriera invisibile (1947), eLe mura di Gerico (1948). Due anni più tardi firmò un contratto con laWarner Bros. e iniziò a comparire in una serie di pellicole musicali nelle quali si distinse come sorridente e atletico ballerino. Il primo di questi fuThe Daughter of Rosie O'Grady (1950), in cui recitò accanto aJune Haver,Gordon MacRae eDebbie Reynolds. Nello stesso anno apparve in un altro musical,Tè per due (1950), il primo di una serie di pellicole in cui recitò al fianco della giovane stella della WarnerDoris Day. Ispirato alla pièce deglianni ventiNo, No, Nanette, la vicenda è incentrata su uno spensierato gruppo di artisti esordienti che tentano di scovare il denaro necessario a mettere in piedi una rivista, e Nelson impersonò Tommy Trainor, il primo ballerino della compagnia, dimostrando grande tecnica nei numeri di danza[4].
Giunto all'apice della carriera, Nelson apparve sempre più frequentemente sul piccolo schermo in serie antologiche qualiThe Ford Television Theatre (1955), di genere poliziesco comeIndirizzo permanente (1963) eIronside (1967), e western comeGli uomini della prateria (1959),Gunsmoke (1959-1960), eNorthwest Passage (1959), nell'episodioThe Fourth Brother, in cui interpretò un uomo che tenta di dimostrare la propria estraneità a un omicidio, accanto aBuddy Ebsen eKeith Larsen. Dall'inizio deglianni sessanta l'attore era inoltre passato dietro la macchina da presa e, in veste di regista, debuttò con la serie televisiva westernThe Rifleman (1961-1962), mentre per il grande schermo diresse in due occasioniElvis Presley nelle commedie musicaliIl monte di Venere (1964), di cui fu anche co-sceneggiatore, eAvventura in Oriente (1965).
La successiva carriera di regista di Nelson si concentrò sulla televisione, per la quale egli diresse numerosi episodi di show di intrattenimento comeThe Donna Reed Show (1962-1965), e serie qualiThe Farmer's Daughter (1963-1965) eStrega per amore (1965). Contribuì al genere poliziesco televisivo, curando la regia di diversi episodi delle serieF.B.I. (1967-1970) eA tutte le auto della polizia (1973-1974). Diresse inoltre un episodio della serie classica diStar Trek,La posta in gioco (The Gamesters of Triskelion), girato nel 1968.
Nelson continuò l'attività di regista durante tutti glianni settanta, dopo aver ottenuto un grande successo aBroadway nel ruolo di Buddy nella commedia musicaleFollies, per la quale ottenne nel 1971 una nomination al premioTony Award come miglior attore non protagonista in un musical, e con cui riconfermò il proprio talento e stile atletico nella danza.
Gene Nelson sposò nel 1941 Miriam Franklin, dalla quale ebbe un figlio, Douglas, e da cui divorziò nel 1956. Due anni più tardi si risposò con Marilyn Morgan, da cui ebbe due figli, Victoria e Christopher. Dopo il divorzio nel 1974 dalla Morgan, Nelson si risposò per la terza volta nel 1990 con Jean Martin.
Ritiratosi dalle scene dal 1981, dopo un'ultima apparizione nella commediaS.O.B. diBlake Edwards, Nelson morì di cancro il 16 settembre 1996, all'età di settantasei anni.
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