Né à New York, Nestor Carbonell a grandi dans une dizaine de pays différents, dont le Mexique, le Venezuela, la Floride, les Bahamas et l’Angleterre. Revenu aux États-Unis, il a fait ses études à la Deerfield Academy dans le Massachusetts, puis à Harvard. C’est là qu’il s’est intéressé au théâtre, et a joué dans plusieurs pièces. Outre les productions à Harvard de « Extremities », « Vu du pont », « House of Games » et « La Tempête », il a joué dans la première off-Broadway de « A Silent Thunder » et dans « The Doctor is Out » à l’Old Globe Theater de San Diego.
Nestor Carbonell a joué dans
Manhood de Bobby Roth avec Janeane Garofalo et John Ritter. Ce film suivait
Jack The Dog du même réalisateur, présenté au Festival de Sundance 2001, dont il tenait le rôle-titre.
Il a par ailleurs été l’interprète de
The Laramie Project de Moisés Kaufman et
Attention Shoppers de Philip Charles MacKenzie, dont il était aussi scénariste.
Côté télévision, il a tenu des rôles réguliers dans
Century City, la série de Barry Sonnenfeld
The Tick ou encore
Lost, et a été la guest star de
Dr. House,
Scrubs et
Monk.
En 2006, il joue dans
Adieu Cuba de Andy Garcia et en 2008 dans
The Dark Knight, Le Chevalier Noir.