Ausgebaut wird er sortenrein aus Nebbiolotrauben. Die Bezeichnung "Nebbiolo" entstammt dem italienischen Wort "nebbia", was übersetzt "Nebel" bedeutet. Gemeint ist damit vor allem der weiße Belag, der sich bei Vollreife auf den Beeren bildet. Diese Bezeichnung wurde bereits im 13. Jahrhundert schriftlich erwähnt und blieb seitdem unverändert.
Die Nebbiolo-Trauben besitzen eine Reihe charakteristischer Eigenschaften, denen der Barolo einige seiner typischen Charakterzüge zu verdanken hat. Wichtig für den Ausbau ist, dass Nebbiolotrauben spätreifend und relativ frostbeständig sind. Das erklärt unter anderem ihre Lagerfähigkeit: Nebbiolo-Weine reifen nur sehr langsam, verlieren bei der Lagerung daher aber auch lange nicht an Qualität.
Die dunklen, fast schwarzen Beeren beinhalten vor allem in ihrer dicken Schale äußerst viel Tannin, was für den besonders hohen Säure- und Tanningehalt der Weine sorgt. Die Form der eher großen Nebbiolotrauben ist typisch walzenförmig. Obwohl die Beeren einen deutlichen Duft tragen, ist ihr Geschmack neutral.
Die offenen Triebspitzen der Rebe sind leicht rötlich und weißwollig überzogen. Die jungen Blätter sind gelblich mit bronzefarbenen Rändern. Die ausgewachsenen Blätter sind mittelgroß, dick, haben eine stumpfe Zahnung und kaum Behaarung, was ihren Glanz erklärt.