Soprannominato il "leone del mugello", ha ripetutamente offerto prove della sua classe e delle qualità di campione nel corso di una carriera inadeguata ai suoi meriti reali e al suo straordinario impegno agonistico. Sarebbe stato lui il campione del mondo dei dilettanti nel '53 a Lugano se, mentre era solo in testa verso il traguardo, non fosse stato raggiunto dall'azzurro Filippi che lo battè poi nello sprint a due. Sarebbe stato il primo, dopo Coppi, a realizzare l'accoppiata Giro-Tour nel '60 se un colmabilissimo distacco di 28" non l'avesse separato dal francese Anquetil maglia rosa a Milano, mentre trionfò due mesi dopo nel Tour de France alla conclusione di un'epica battaglia con il grande, sfortunatissimo Riviére che finì in un burrone. Nencini provò quell'anno, la soddisfazione di ricevere le felicitazioni, nel corso della tappa Besancon-Troyes al passaggio da Colombey-les-deux-Elises, del generale Charles De Grulle che dal bordo della strada volle salutare il Tour che a sua volta si fermò per rendergli omaggio. Vinse il Giro d'Italia nel '57 anche in virtù dell'attacco con Bobet, Geminiani e Baldini alla maglia rosa Gaul fermatosi a fare pipì a Ospitaletto Bresciano, e pure per la sua coraggiosamente straordinaria discesa dal Sempione: quella vittoria fu il giusto risarcimento per la mancata vittoria nel '55 allorché, degno leader della corsa a due tappe dalla fine, venne attaccato da Magni e Coppi e staccato solo in seguito ad una foratura che lo condannò all'ingiusta sconfitta e al terzo posto nella classifica finale. Se il Giro e il Tour sono state le sue palestre più importanti per la sua bravura (7 tappe e 10 maglie rosa al Giro d'Italia, dove nel '57 stabilì la media primato della corsa con km/h 37,488 che ha resistito fino all'83; 4 tappe vinte e 14 giorni in maglia gialla al Tour de France) Nencini ha pure inscritto nel suo palmares la Tre Valli Varesine '56, il Giro di Reggio Calabria '57 e il GP di Nizza '60 e altre gari minori.
Nel 1960, benchè trentenne sembrava comunque lanciato verso altri luminosi traguardi ma la sua scarsa attitudine a sottostare alle rigide regole della vita di atleta e qualche sfortunato episodio (una brutta caduta sulle Croci di Calenzano lo costrinse ad una lunga inattività e ad un tribolato recupero) lo portarono presto al malinconico declino tanto che nelle ultime quattro stagioni non emerse più dalla mediocrità.
Nel 1965, sua ultima stagione professionistica (ha corso per 13 stagioni), fu chiamato da Bartolozzi alla Filotex a fare da chioccia ad una nidiata di giovani e fu molto bravo anche in quel ruolo.
All'inizio del 1980 un male incurabile ha stroncato, dopo pochi mesi, la sua fortissima tempra.