Nestor Carbonell est né à New York mais ses parents sont cubains. Plus tard, lui et ses parents déménagent au Venezuela, où il étudie à la British School of Caracas(en). Il retourne ensuite aux États-Unis et rentre à la Deerfield Academy(en), où il croise d'ailleurs la route de Matthew Fox, son futur collègue dans la série Lost. Enfin, il continue ses études à Harvard et y obtient un baccalauréat d'anglais.
Nestor Carbonell est marié depuis 2001 à l'actrice Shannon Kenny(en) avec qui il a deux fils, Rafael (né en 2002) et Marco (né en 2005). Il parle couramment espagnol.
