Nelson Barbosa nasceu no Rio de Janeiro em 1969. Formou-se em economia pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), em 1992. Concluiu o mestrado na mesma universidade em 1995 e o doutorado na New School of Social Research, em Nova York, em 2001.

Barbosa exerceu diversos cargos acadêmicos e na administração pública federal. Foi professor-adjunto de matemática e econometria da New School University (Nova York), entre 1999 e 2002. Integrou ainda os quadros do Saint Francis College, também em Nova York, como professor-assistente entre 2000 e 2001. A partir de 2002, tornou-se professor-adjunto no Instituto de Economia da UFRJ.

No governo federal, Barbosa foi analista do Banco Central (1994 a 1997) e chefe-adjunto da Assessoria Econômica do Ministério do Planejamento (2003). Entre 2005 e 2006 assumiu o cargo de assessor da Presidência do Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES).

Ocupou diferentes cargos no Ministério da Fazenda: foi secretário-adjunto de Política Macroeconômica e Análise de Conjuntura (2006-2007), secretário de Acompanhamento Econômico (2007) e secretário de Política Econômica (2008-2010).

Foi nomeado em 2011 pela presidenta Dilma Rousseff secretário-executivo do Ministério da Fazenda, cargo que ocupou até 2012.

Barbosa também foi presidente do Conselho do Banco do Brasil (2009 a 2013) e integrou o Conselho de Administração da Vale (2011 a 2013).

Nos últimos meses atuava como professor da Escola de Economia de São Paulo (FGV-EESP), professor-adjunto do Instituto de Economia (IE/UFRJ), pesquisador do Instituto Brasileiro de Economia (IBRE/FGV) e membro dos conselhos de administração da Cetip e do Banco Regional de Brasília (BRB).