Нелсон — воспитанник клуба «Шентренше». В 2012 году он перешёл в столичную «Бенфику», где начал выступать за команду дублёров. В том же году Нельсиньо на правах аренды перешёл в клуб «Фатима». 2 сентября в матче против своего родного «Шентренше» он дебютировал в третьем дивизионе Португалии. После окончания аренды Семеду вернулся в «Бенфику». 16 августа 2015 года в матче «Эшторил-Прая» он дебютировал в Сангриш лиге. В этом же поединке он забил свой первый гол за орлов. 15 сентября в матче Лиги чемпионов против казахстанской «Астаны» Нельсон дебютировал за лиссабонский клуб на международном уровне. В 2017 году он во второй раз стал чемпионом Португалии. 13 июля 2017 года было объявлено о переходе защитника в испанскую «Барселону». Сумма трансфера составила € 30 млн, при этом «Бенфика» будет получать по € 5 млн за каждые 50 матчей игрока за каталонский клуб до первого переподписания контракта. 20 августа в матче против «Бетиса» он дебютировал в Ла Лиге. 27 января 2019 года в матче против «Жироны» забил свой дебютный гол в составе «Барселоны». 23 сентября 2020 года перешёл в английский «Вулверхэмптон Уондерерс». Контракт рассчитан на три года с опцией продления ещё на два года. Сумма трансфера составила 30 миллионов евро плюс 10 миллионов в качестве бонусов. Семеду дебютировал за «волков» в английской Премьер-лиге 27 сентября 2020 года в матче против «Вест Хэм Юнайтед», который его команда проиграла со счётом 0:4. Свой дебют на домашнем стадионе «Вулверхэмптона», «Молинью», игрок совершил неделей позже, 4 октября 2020 года, тогда «волки» победили «Фулхэм» со счётом 1:0. Первый гол за клуб Нелсон забил 23 мая 2021 года, в последнем матче сезона 2020/21 против «Манчестер Юнайтед».