Zauważony przez łowców talentów w Hollywood, został obsadzony w roli Thibaulta w musicalu Michaela Curtiza Król włóczęgów (The Vagabond King, 1956) z Kathryn Grayson, kolejnej ekranizacji operetki Rudolfa Frimla Król włóczęgów o poecie François Villonie. Film niezbyt podobał się publiczności i krytyce, ale Nielsen został zauważony i to wystarczyło by podpisał kilkuletni kontrakt z wytwórnią Metro-Goldwyn-Mayer.
Zaczął regularnie pojawiać się na dużym ekranie w rolach przystojnych, „twardych” facetów, często grał czarne charaktery, w tym jako reporter gazety Charlie Telfer w dramacie kryminalnym Okup (Ransom!, 1956), jako komandor John J. Adams w fantastycznonaukowym filmie przygodowym Zakazana planeta (Forbidden Planet, 1956), nowoczesnej wersji dramatu Williama Szekspira Burza, jako producent teatralny Steven Hilliard romansujący z tancerką w muzycznej komedii romantycznej Płeć przeciwna (The Opposite Sex, 1956), jako pilot Peter Brent zakochany w dziewczynie (Debbie Reynolds) z prowincji w komedii romantycznej Panna Tammy i kawaler (Tammy and the Bachelor, 1957), jako reporter gazety William Joel Partain w dramacie kryminalnym Gorąca letnia noc (Hot Summer Night, 1957), jako pułkownik Stephen Bedford / Johnny Bledsoe w westernie komediowym Jeden przeciw wszystkim (The Sheepman, 1958) i w roli przedsiębiorcy, Granta Eversa w