Нестор Карбонелл родился 1 декабря 1967 года в Нью-Йорке. Его отец был преуспевающим кубинским предпринимателем, который переехал в Штаты и успешно наладил там бизнес. Своей яркой внешности, которая сделала его заметной фигурой на экране, Карбонелл обязан латиноамериканскому происхождению.
В ранние годы родители перевезли будущего актера обратно в Латинскую Америку, где Нестор и закончил школу. Получив аттестат, наш герой вернулся в США, чтобы осуществить свою мечту — покорить Голливуд. Карбонелл стал студентом Гарвардского университета, несмотря на то, что это принято считать сложной задачей для жителей крупных американских городов.
В первые годы учебы, которые пришлись на 90-е, Нестор дебютировал в эпизодических ролях таких телевизионных проектов, как «Закон и порядок» и «Мелроуз Плейс». А мировую известность актеру принесла роль в культовом сериале «Остаться в живых», после которой наш герой уже не знал недостатка в предложениях режиссеров.
В 2001 году Нестор Карбонелл женился на австралийской актрисе кино и телевидения Шеннон Кенни, широко известной на родине своим участием в многосерийном проекте «Сыновья и дочери». Они познакомились во время работы над проектом Muscle в 1995 году. Звездная пара воспитывает двух наследников — Марко и Рафаэла. Подростки пока не решили, чем займутся в будущем. Нельзя исключать, что они продолжат семейную традицию.