Нестор Карбонелл родился 1 декабря 1967 года в Нью-Йорке. Он унаследовал кубинские и испанские корни, а воспитывался в семье верующих католиков. Отец будущего актера был хозяйственным руководителем и одним из активных деятелей кубинской общины. Его двоюродный брат Рафаэль Палмьеро Корралес профессионально занимался бейсболом и играл в Высшей Бейсбольной Лиге. Прадед Нестора, журналист и юрист Хосе Мануэль Кортина, считался выдающимся политическим деятелем и оратором Кубы. Со временем чета Карбонелл перебралась в столицу Венесуэлы, город Каракас. Здесь Нестор поступил в частную школу The British School, Caracas, а позднее вернулся в родную Америку, став студентом академии Deerfield Academy. Это учебное заведение окончил и его будущий коллега по сериалу «Остаться в живых» Мэтью Фокс. Вскоре Нестор получил степень бакалавра в Гарвардском университете. Свою будущую жену, актрису Шеннон Кенни, он встретил в 1995 году на съемках ситкома «Мускул». Вскоре у супругов родилось двое сыновей Рафаэль и Марко.
Кинематографический дебют Карбонелла состоялся в 1991 году в криминальном сериале «Закон и порядок», где актер исполнил роль Стюарта Каррадина. Через год он появился в опере «Мелроуз Плейс» от создателя «Беверли-Хиллз, 90210» Даррена Стара. Следом Нестор сыграл в эпизоде комедийного проекта «Другой мир», а в 1996 году получил роль Луиса Ривьеры в сериале «Непредсказуемая Сьюзан». Сериал рассказывает о сотруднице редакции журнала, которая сбежала с собственной свадьбы, но продолжила поиски идеального мужчины. Образ главной героини воплотила на экране Брук Шилдс. «Непредсказуемая Сьюзан» получила две номинации на премию «Золотой глобус», а работа над проектом продолжалась около четырех лет. В 2004 году Нестор сыграл доктора Рамиреза в популярной комедии Билла Лоуренса «Клиника». Его следующая картина «Сильное лекарство» также имела медицинскую тематику и заняла у актера два года. В 2005-м он снялся в культовой телевизионной драме Дэвида Шора «Доктор Хаус».
Спустя пару лет, в 2007 году, Карбонелл принял участие в создании криминального триллера Джо Карнахана «Козырные тузы». Его героем стал наемный убийца и специалист по пыткам Паскуаль Акоста. Однако всемирную известность актеру принес нашумевший фантастический сериал в жанре робинзонады «Остаться в живых». Нестору досталась роль бессмертного Рикардо Алперта, изначально представшего перед зрителями как доктор биологической научно-исследовательской компании, а позднее – как один из коренных жителей Острова. После окончания съемок Карбонелл принял приглашение прославленного режиссера Кристофера Нолана. На сей раз актер перевоплотился в Энтони Гарсия, мэра мрачного города Готэм-сити, сыграв во второй части трилогии о Бэтмене «Темный рыцарь» с Кристианом Бэйлом в главной роли. В 2012 году на большие экраны вышла заключительная картина «Темный рыцарь: Возрождение легенды», где Нестор Карбонелл появился в прежней ипостаси.
