Desde su juventud, Néstor demostró gran interés por las artes, pero sobre todo por el cine. En Cuba obtuvo su licenciatura en Filosofía y Letras (1955) y comenzó su carrera como director de fotografía y realizador de películas aficionadas, junto con el fotógrafo cubano Herman Puig (1928), entre otros.
En este mismo año marcha a Nueva York a estudiar cine al New York City College. El curso siguiente está en Roma, en el Centro Sperimentale di Cinematográfica. En 1957 vuelve a Estados Unidos, en donde enseña español en el Vassar College (estado de Nueva York) durante dos años, en tanto que dirige piezas teatrales de estudiantes hispanos en el Middlebury College.
Tras la Revolución cubana, volvió a la isla, donde rodó diversos documentales para el Instituto Cubano de Arte en Industria Cinematográfica (ICAIC), como Gente en la playa, (1961), sin embargo, al estar en desacuerdo con el gobierno surgido tras la revolución, abandonó el país en 1962, dirigiéndose a Francia, animado por la nouvelle vague. Allí desarrolló una brillante carrera como director de fotografía, con películas como El pequeño salvaje (1969), La historia de Adéle (1975) de Truffaut o todas las realizadas por Éric Rohmer entre 1966 y 1976 (La coleccionista, Mi noche con Maud, La rodilla de Clara, etc.).
Más tarde, simultaneó sus trabajos en Francia con otros en los Estados Unidos con películas como: Días del cielo, de Terrence Malick, por la que obtuvo un premio Oscar de fotografía en 1978; Kramer contra Kramer (1981), Bajo sospecha (1982) y Billy Bathgate (1991), las tres de Robert Benton; El último metro (1980), de nuevo con Truffaut; la taquillera The Blue Lagoon (1980), protagonizada por una debutante Brooke Shields; La decisión de Sophie (1982), de Alan J. Pakula (por cuya fotografía fue nominado al premio Oscar en 1983) o Pauline en la playa (1983), otra vez con Rohmer.
También codirigió, con Orlando Jiménez Leal, el documental Conducta impropia (1983) que revela la represión sufrida por los homosexuales bajo el régimen de Fidel Castro.