Aunque Nestor Carbonell nació en la ciudad de Nueva York, se crió en numerosos lugares, incluidos México, Venezuela, Florida, Connecticut, las Bahamas y Londres. Se graduó de la Universidad de Harvard con un título en inglés. Fue durante su tiempo en la universidad que un curso de drama de primer año lo llevó a su interés en actuar. Al graduarse se mudó a Nueva York y protagonizó obras Off Broadway. Ganó reconocimiento por su papel en la serie Lost como Richard Alpert, así como por interpretar al alcalde Anthony García en Batman: El caballero de la noche (2008) y en Batman: El caballero de la noche asciende (2012) de Christopher Nolan. Nestor protagonizó el Bates Motel (2013-2017) de Universal como el Sheriff Alex Romero, amante de Norma Bates (de Vera Farmiga) y némesis de su hijo Norman. En 2019 apareció junto a Jennifer Aniston y Reese Witherspoon en la serie de Apple TV The Morning Show como Yanko Flores.