פרופ' נתן נלסון הוא מומחה לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית, בעל שם בינלאומי בתחום המחקר הבסיסי של חלבונים וקומפלקסים של מולקולות בקרומי התא.
בין תגליותיו החשובות: בידוד ואפיון קומפלקסים המעורבים בתהליכים הביו־אנרגטיים של התא, שפסגתו פענוח המבנה הגבישי של 1PS , קומפלקס מורכב מאוד המעורב בתהליך הפוטוסינתזה בצמחים; גילוי גנים המקודדים למוליכים שונים, ביניהם מוליכים עצביים מוליכי־מתכות ואחרים, ואפיון פעילותם.