Гней Домиций — второй ребёнок в семье Луция Домиция Агенобарба, консула 16 до н. э., и Антонии Старшей. Оба родителя происходили из плебейских родов. Луций Домиций — из древнего рода Домициев Агенобарбов, чьи отпрыски занимали в Риме высшие должности на протяжении нескольких столетий. Антония была дочерью Марка Антония от сестры Октавиана Августа, Октавии Младшей. Однако, в 16 до н. э., согласно закону Сения, Луций Домиций получил патрицианский статус.
Среди современных историков существует мнение (Рональд Сайм, Энтони Баррет), что Светоний ошибся, описывая недостойное поведение Гнея Домиция в походе Гая Цезаря в 1 до н. э., когда Гней из-за своей жестокости был удалён Цезарем из войска. Считают, что данный случай произошёл во время похода Германика в 17 году, а дата рождения Гнея — 1 или 2 год н. э.
Кроме него в семье было ещё двое детей — Домиция Лепида Старшая, позже дважды выходившая замуж и Домиция Лепида Младшая, мать Мессалины. Светоний пишет, что Лепида Младшая и Гней Домиций состояли в преступной половой связи, однако других подтверждений этому нет.
В 28 году, по указу Тиберия женился на Юлии Агриппине. В 32 году стал консулом. В 37 году у пары родился сын — Луций Домиций Агенобарб, которому позже суждено было стать императором под именем Тиберий Клавдий Друз Нерон Германик Цезарь.
В том же 37 году Гней Домиций, вместе с Вибием Марсом иЛуцием Аррунцием были обвинены по делу Альбуциллы — богатой римлянке, известной своим распутным нравом. Альбуциллу, вместе с её любовниками обвинили в заговоре и непочтении к императору, а также в распутстве. Однако смерть Тиберия спасла всех троих. Перед судом предстала лишь Альбуцилла, но чем кончился этот процесс — неизвестно.
После смерти Тиберия к власти пришёл Калигула. Он удостоил трех своих сестер — Агриппину, Юлию Друзиллу и Юлию Ливиллу особых почестей, основные из которых:
Причину такого отношения Калигулы к сёстрам крылась в тех отношениях, которые между ними существовали. Почти все древние историки практически единогласно заявляют, что Калигула предавался разврату со своими сёстрами, а также не противился их беспорядочным связям с другими мужчинами. Пиры на Палатинском холме, участницами которых обязательно были сёстры, часто заканчивались развратными оргиями. Замужество Агриппины не являлось препятствием к той жизни, которую она вела.
В 39 году двух сестёр и их любовника Лепида, обвинили в заговоре с целью свержения императора и захвата власти в пользу Лепида. Также Калигула обвинил их всех в разврате и прелюбодеянии.
Гней Домиций Агенобарб, несмотря на разоблаченный заговор, в котором участвовала его супруга, продолжал находиться в Риме или на своих загородных виллах вместе с сыном. Однако в 40 году он умер от водянки в Пирги (совр. Санта Севера, Италия)(в фильме 2004 года «Император Нерон» Гней Домиций Агенобарб был обезглавлен по приказу Калигулы). Всё его имущество отошло к Калигуле. Маленький Нерон был отдан на воспитание тётке, Домиции Лепиде Младшей.