尼科尔森在衣阿华州得梅因上了德雷克大学，然后到加利福尼亚大学，于1915年获哲学博士学位。那一年他到帕萨迪纳的威尔逊山天文台工作，直到1957年他退休。
尼科尔森对于天体的温度进行过精密的测量。例如，1927年他发现在月食期间因地球阴影的作用，月亮的表面温度下降了差不多200℃。这样大幅度的降温表明了来自深层的储热到达月亮表面是十分缓慢的。这就使人们相信，月亮覆盖着一层疏松的尘土，尘粒之间的真空是一种优良的热绝缘体。他也测量了水星的表面温度，发现它的最高温度达410℃。尼科尔森进入了木星卫星发现者伽利略和巴纳德他们的杰出行列。1914年他还是研究生的时候发现了一个，1938年发出两个，1951年发现第四个。尼科尔森发现的这四个都是远离木星的四个小卫星。二十世纪其他人发现的另外几个卫星也是如此，这使木星卫星的总数达到了十二个（根据最近的资料，木星的卫星共有十六个。---译者），它们可能是被俘获的小行星。