Em 2002 foi campeão da Fórmula 3 Sul-Americana. Depois desta temporada, na qual se sagrou campeão no seu segundo ano de disputa, Nelsinho transferiu-se para a série GP2. Em 2006, pela equipe Piquet Sports, que assumiu o controle total da equipe na GP2, e teve como maior adversário o inglês Lewis Hamilton, piloto que dominou a Fórmula 3 europeia e que se tornou o campeão, Nelsinho garantiu a segunda posição.
Já treinou em algumas oportunidades com equipes de Fórmula 1, a Williams e a extinta BAR. Também participou da competição automobilística A1GP, uma competição entre nações, que foi disputada pela primeira vez entre a final de 2005 e início de 2006.
Em 2007 foi um dos pilotos de testes da Renault, ao lado de outro piloto brasileiro, Ricardo Zonta. Foi anunciado para 2008 como piloto titular ao lado de Fernando Alonso, pela equipe Renault.
Ainda em 2008, também pela equipe francesa, conseguiu seu primeiro pódio, ao chegar na segunda colocação no Grande Prêmio da Alemanha, disputado no dia 20 de Julho daquele ano.Porém, em 2009, não obteve pontos nas primeiras 10 provas da temporada, e acabou por ser demitido pela Renault em 3 de agosto, sendo substituído pelo franco-suíço Romain Grosjean.
Em 10 de setembro do mesmo ano, pouco depois da sua demissão, Nelsinho assumiu, perante a FIA, ter provocado o acidente ocorrido durante o GP de Cingapura de 2008, para beneficiar a equipe Renault. Desta forma, Piquet forçou a entrada do safety car, o que facilitou a vitória do seu companheiro de equipe, Fernando Alonso.
Segundo as investigações concluíram, Flavio Briatore, chefe da escuderia, e o diretor de engenharia, Pat Symonds, teriam pedido a Nelsinho que forjasse um acidente.
Tal fato foi considerado um escândalo e pode determinar o encerramento definitivo da breve carreira do piloto na F1. Em 6 de fevereiro fez sua estréia na NASCAR, em Daytona, na abertura da temporada da ARCA, divisão de acesso para a categoria principal.
Largando do sexto lugar no grid, acabou se envolvendo em um acidente durante a prova e chegando apenas na vigésima sétima posição.
No dia 11 de abril disputou como piloto convidado, a corrida de abertura da Copa Chevrolet Montana, categoria de acesso a Stock Car Brasil. Nelson largou na sétima posição e completou a prova em segundo lugar, conseguindo um pódio.
