Formé au KK Partizan Belgrade, Nemanja Bjelica commence sa carrière professionnelle dans le club autrichien d'Arkadia Traiskirchen Lions en 2007. La saison suivante, il rejoint l'Étoile rouge de Belgrade. En 2010, il est sélectionné lors de la draft par les Wizards de Washington au puis ses droits sont échangés et envoyés aux Timberwolves du Minnesota. Lors de l'été 2010, il signe un contrat de cinq ans avec le club espagnol du Tau Vitoria.