Nestor Carbonell urodził się 1 grudnia 1967 roku w Nowym Jorku w rodzinie Kubańczyków hiszpańskiego pochodzenia. Wychował się w wierze rzymsko-katolickiej. Jego rodzina przeniosła się do Caracas w Wenezueli, gdzie uczęszczał do brytyjskiej szkoły. Później powrócił do Stanów Zjednoczonych, gdzie skończył Deerfield Academy i Uniwersytet Harvarda. Carbonell jest żonaty od 2001 roku z aktorką Shannon Kenny i mają dwójkę dzieci: Rafaela (ur. 2002) oraz Marco (ur. 2005). Mówi biegle zarówno po angielsku jak i hiszpańsku.