Fils de Charles Nicolle, laboureur à Pissy-Poville, près de Rouen, et de Rose Neuville, Charles Dominique Nicolle fait ses études à Rouen puis au collège de Sainte-Barbe à Paris, et y devient maître d'études (1er octobre 1782-1er octobre 1784) puis professeur et préfet des études (1er octobre 1785-1er octobre 1790).
L'abbé Nicolle refuse de prêter le serment à la Constitution demandé par la Révolution et devient précepteur du fils du comte de Choiseul-Gouffier. En 1791 il accompagne son élève et la comtesse de Gouffier-Choiseul en émigration. Ils séjournent en Italie et en Grèce avant de retrouver le comte de Choiseul à Constantinople où il est ambassadeur. Au début de l’année 1793 l’abbé Nicolle suit les Choiseul-Gouffier à Saint-Pétersbourg (Russie) où le comte de Choiseul est nommé par l'impératrice Catherine II directeur de l'Académie des Arts et des Bibliothèques impériales de Russie. L'abbé Nicolle fonde en 1794 à Saint-Pétersbourg un pensionnat pour les jeunes gens des familles nobles russes et françaises qui connaît rapidement un vif succès et où il fait venir pour l'aider d'autres ecclésiastiques français, l’abbé Pierre Nicolas Salandre et l'abbé Septavaux. En 1812 le tsar lui demande de visiter les églises catholiques de Russie méridionale, où se trouvent de nombreux émigrés français. A la demande du duc de Richelieu, gouverneur d’Odessa, il crée le lycée Richelieu dont il conserve la direction jusqu'en 1820 et qui sera reconnu par le tsar.
En 1817, lors de la Restauration des Bourbons, l'abbé Nicolle revient en France et est nommé aumônier personnel honoraire du roi Louis XVIII ; il retourne en Russie fin 1817 mais rencontre désormais de multiples tracasseries de la part du clergé russe et rentre définitivement en France en 1820.
Membre de la Commission d'instruction publique (22 juillet 1820-17 octobre 1830) il devient vice-recteur de l'académie de Paris (27 février 1821-26 août 1824). C'est pendant son rectorat, mais sans sa participation directe, que l'on enlève à Cousin la suppléance de Royer-Collard à la Sorbonne en 1820, à Guizot sa chaire en 1822, et que l'on supprime l'École normale la même année. L'ordonnance du 26 août 1824, qui institue un ministère des affaires ecclésiastiques et de l'instruction publique et en donne le portefeuille à Mgr Frayssinous, met fin au rectorat de l'abbé Nicolle. En 1827, l'abbé Nicolle est nommé vicaire-général de l'archevêque de Paris.
Avec son frère Henri, il travaille à la restauration de l'ancien collège Sainte-Barbe, qui après sa fermeture sous la Révolution, s'était séparé en 2 établissements : l'un, rue Cujas, était dirigé depuis 1798 par Victor de Lanneau, ancien religieux théâtin ; l'autre, sis au 42 rue des Postes avait été ouvert en 1807 par un ancien de Sainte-Barbe, Parmentier. En 1817 l'abbé Nicolle rachète cet établissement, met à sa tête l'abbé Cotret, son ancien élève, prend le titre de directeur honoraire et rédige de nouveaux règlements. En 1818 la commission d'instruction publique interdit à l'école de porter le nom de nouvelle Sainte-Barbe et lui donne le nom d'Institution de l'Université. Par arrêté du Conseil royal de l'Instruction publique en date du 28 août 1821, l'institution de la rue des Postes est érigée en collège de plein exercice et le 2 juillet 1822 le même conseil autorise le collège de la rue des Postes à porter le nom de collège Sainte-Barbe. En 1826 il acquiert le statut de collège municipal de Paris mais, après la Révolution de 1830, il est renommé collège Rollin (6 octobre 1830). L'abbé Nicolle place son frère Henri à la tête de l'établissement en 1820 ; il y fait entrer des fils de famille aristocratiques (Saint-Priest, Ostermann, Wolkonsky) mais le collège reçoit aussi des élèves d'origine plus modeste, comme Victor Duruy qui y séjourne de 1823 à 1830. Michelet y enseigne l'histoire de 1822 à 1826.
L'abbé Nicolle travaille aussi au rétablissement de l'église de la Sorbonne, saccagée en novembre 1794 et rendue au culte en 1822.
La Révolution de 1830 lui enlève son siège au Conseil royal de l'instruction publique ; il est mis à la retraite par l'ordonnance royale du 17 août 1830. Il séjourne chez les Javon à Soisy-sous-Montmorency, où il meurt en 1835, à l'âge de soixante-dix-sept ans. Un an avant sa mort, il avait publié un petit ouvrage intitulé Plan d'éducation ou projet d'un collège nouveau, Paris, 1834, in-18.
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