Nilmar começou sua carreira de jogador de futebol nas categorias de base da Sociedade Esportiva Matsubara, na cidade de Cambará-PR. De lá, foi negociado com o Internacional, de Porto Alegre, onde teve sua primeira chance como profissional em 15 de março de 2003. Na oportunidade, tinha apenas 18 anos de idade. Desde então, começou a ter destaque e obter seu espaço no ataque da equipe.

Em 2004, foi campeão Gaúcho com o Inter, sendo o artilheiro da equipe.

Em 30 de agosto de 2004, Nilmar foi negociado com o Lyon, da França. O atacante foi contratado para ocupar a vaga deixada pelo também brasileiro Giovane Élber, que havia deixado o clube.

Apesar de Nilmar não ter conseguido se adaptar ao futebol europeu e ter tido poucas chances no time, seu início no Lyon foi muito bom.

Marcou dois gols em sua estreia, entrando no segundo tempo do jogo contra o Rennes. No entanto, não marcou mais nenhum gol na Ligue 1.[2] Na temporada, foi titular em apenas sete partidas, e marcou duas vezes. Na UEFA Champions League 2004/05, ajudou sua equipe a chegar às quartas de final, marcando quatro gols em nove jogos.

Retorno ao Brasil
Sem sucesso em sua passagem pelo Lyon, Nilmar voltou ao Brasil para tornar possível uma nova convocação à Seleção Brasileira. Em 23 de agosto de 2005, transfere-se por empréstimo de um ano para o Corinthians.

Após o período de empréstimo, a parceria entre Corinthians e MSI teria a prioridade de compra do atacante.

Nilmar foi um dos destaques da campanha corintiana que conquistou o título do Campeonato Brasileiro de 2005. Ao lado de Carlitos Tévez, formou uma dupla de ataque que mais marcou gols ao fim do campeonato.

No Campeonato Brasileiro de 2006 após a Copa do Mundo, sofreu uma ruptura no ligamento cruzado anterior do joelho direito no jogo contra o Palmeiras, se afastando dos gramados durante seis meses.

No seu retorno aos gramados, em meio a uma batalha jurídica com o Corinthians, o jogador voltou a sofrer a mesma lesão, desta vez no joelho esquerdo, novamente em partida contra o Palmeiras, que seria sua última partida pelo clube do Parque São Jorge.

Em 17 de agosto de 2007, a Justiça do Trabalho declarou a rescisão indireta do contrato de Nilmar com o Corinthians, em razão do não pagamento de "luvas" que haviam sido prometidas pela MSI, parceira do clube brasileiro na contratação do atleta. Antes disso, a FIFA já havia obrigado o Corinthians ao pagamento de 8 milhões de euros ao Lyon da França, antigo clube do atleta[3][4], mas todas essas dívidas já foram sanadas com atleta e clube.[5][6]

Retorno ao Internacional
Em 13 de setembro de 2007, o atacante retornou ao Sport Club Internacional, com contrato de cinco anos.

Reestreou pelo time colorado quase dois meses depois, em partida contra o Vasco da Gama, no Rio de Janeiro. Na final da Dubai Cup, contra a Internazionale, o atacante acertou uma bicicleta que garantiu a vitória por 2 a 1 e o título do torneio para o Internacional.

No dia 3 de dezembro de 2008, Nilmar ajuda o Internacional marcando, na prorrogação, o gol que deu ao clube o inédito título da Copa Sul-Americana, feito, até então, jamais alcançado por outro clube brasileiro. Ao lado do também colorado Alex, foi o artilheiro da competição, com cinco gols.

Pela primeira rodada do Campeonato Brasileiro de 2009, na partida entre Corinthians e Internacional, jogando pela equipe de Porto Alegre, o atacante marcou um gol antológico, driblando vários zagueiros adversários. As boas atuações pelo Inter lhe renderam o retorno à seleção brasileira, após seis anos.

Em 24 de julho de 2009, o Villarreal, da Espanha, anunciou a contratação do atacante brasileiro, e desembolsou € 16,5 milhões na contratação, com contrato de cinco anos.[7][8] Nilmar foi o maior investimento realizado pelo clube, em toda a história.[9] O atacante também agradeceu ao torcedor do Internacional e disse que deu um "passo importante na carreira".[10]

O jogador foi apresentado como novo reforço do submarino amarelo, em 31 de julho de 2009.[11][12] Nilmar admitiu que "sabe que a responsabilidade é maior, mas que confia em que jogará bem como no Brasil".[12] "O futebol espanhol sempre me atraiu, é muito parecido com o brasileiro, se toca muito a bola, é muito técnico e se joga com velocidade. Agora vou realizar o sonho de jogar na Espanha". - concluiu Nilmar.[12]

Fez sua estreia pelo Villarreal em 7 de agosto de 2009, em amistoso contra a Juventus, marcando um dos gols da vitória de 4-1 do Submarino Amarelo sobre a Vecchia Signora.

Desde que chegou ao clube espanhol, Nilmar jogou regularmente e muito bem, com belos dribles, arrancadas, passes para gols e vários gols. Em 2010, ajudou a equipe a chegar nas semifinais da UEFA Europa League, marcando sete gols, e foi um dos destaques da competição, mas o Villarreal acabou perdendo para o Porto, que levantou o caneco ao final da competição.