Nilsen ble medlem av fylkestinget i 1995, og var Høyres gruppeleder fra 2001. Fra 2003 til 2011 hadde han vervet som fylkesvaraordfører og i 2011 til 2015 var han fylkesordfører. For perioden 2009–2013 var han også vararepresentant til Stortinget for Hordaland. I 2015 ble han utnevnt til statssekretær ved Statsministerens kontor og i 2016 ble han utnevnt til statssekretær i Samferdselsdepartementet.