År 1935 fick Nils Nilson sitt definitiva genombrott efter en separatutställning på Svensk-franska konstgalleriet i Stockholm. Han bodde då i Malmö och anlitades att utföra sin första monumentalmålning, en fresk för Högre allmänna läroverket för flickor i Göteborg. År 1938 flyttade han till Göteborg för att tillträda tjänsten som lärare och föreståndare för Valands målarskola. Han innehade denna tjänst till 1947.

Nils Nilsson räknas till gruppen Göteborgskoloristerna. Han var medlem i det konstnärsägda galleriet Färg och Form och var 1940 en av stiftarna av konsttidskriften Paletten.

Nilsson är representerad bland annat på Göteborgs konstmuseum, Kalmar konstmuseum, Moderna museet, Nationalmuseum, Stockholm och på Nasjonalmuseet for kunst, arkitektur og design i Oslo.