Neveu de l'ex-Champion du Monde 125cc Angel Nieto, Fonsi débute en mini-moto et passe en 125cc en 1995, année où il s'impose dans le Championnat d'Espagne Junior. Les saisons suivantes, il remporte les titres nationaux en 125cc et 250cc et il fait une première apparition sur la scène mondiale à Jerez, en tant que wild card. Impressionné par ses progrès, Luis d'Antin lui donne sa chance en 250cc pour la saison 1999, que Nieto termine en 23ème position avant de grimper jusqu’à la 14ème en 2000.

Nieto monte pour la première fois sur le podium en 2001 à Valence sur Aprilia 250cc, et termine deuxième de la saison 2002 derrière Marco Melandri, avec un total de neuf podiums dont quatre victoires. L’espagnol n’est pas aussi performant en 2003, avec six podiums et une seule victoire, et chute à la cinquième place du classement général. L’année suivante est sa dernière en Grand Prix et compte beaucoup moins de bons résultats, avec un seul podium suite à sa troisième place à Jerez.

Depuis, ‘Fonsi’ a fait sa première et unique apparition en MotoGP en 2007, pour se classer onzième avec Kawasaki en France. Après avoir été absent du Championnat du Monde ces deux dernières années, Nieto fait son retour à la compétition internationale en 2010 avec le team Moto2 G22 Racing.