Ved stortingsvalget i oktober 1953 ble Nilsen valgt til stortingsrepresentant for Aust-Agder, som førstekandidat på en fellesliste for Høyre og Bondepartiet. Han brukte av sin faglige innsikt som medlem av Stortingets samferdselskomité. Han ble alvorlig syk mot slutten av stortingsperioden og fikk permisjon fra vervet. Han døde i april 1957, og varamannen Jørund Kvaale (Bondepartiet) rykket opp til fast representant.