Nelson vertrat die USA erstmals bei der U20-Junioren-Weltmeisterschaft 2011 und gewann mit der Mannschaft die Bronzemedaille. Zur Weltmeisterschaft 2014 in Minsk wurde er erstmals in den Kader der Herren-Nationalmannschaft berufen, ebenso wie zur WM 2015, bei der er die Bronzemedaille gewann und mit 10 Punkten Topscorer seiner Mannschaft war. Bei der WM 2016 stieß er durch die Playoff-Teilnahme mit den Islanders verspätet zur Mannschaft und belegte in der Folge den vierten Platz mit dem Team.