[3]​ Durante su carrera profesional ha corrido en los equipos Boyacá es para Vivirla, Café de Colombia/Colombia es Pasión, Movistar Team y Arkéa Samsic.

[7]​[8]​[9]​ En 2016 logra su temporada más destacada de su carrera deportiva, ya que durante la temporada logra triunfos importantes como ganar la Vuelta a Cataluña, el Tour de Romandía, la Ruta del Sur, nuevamente repite podio en el tercer lugar del Tour de Francia, y finalmente logra su segunda grande ganando la Vuelta a España sobre su más importante rival Chris Froome, podio que lo completa el también colombiano Esteban Chaves.

Su padre sufrió un accidente automovilístico cuando él tenía solo siete años de edad, por lo cual debió someterse a múltiples intervenciones quirúrgicas y le generó una discapacidad, razón por la que debió ser apoyado en sus labores por sus hijos (Nairo incluido) desde temprana edad para contribuir a la economía del hogar.

Tras contárselo a su padre, este decidiría comprarle una bicicleta mejor, de acero aunque con ruedas más estrechas.

[17]​ Su primer paso fue entrar al Club Deportivo Ediciones Mar de Tunja, «Ahí lo empezaron a encaminar mejor», recuerda su papá.

Ese año se proclamó vencedor del Tour del Porvenir (carrera limitada a menores de 23 años), con solo 20 años, ganando además las dos últimas etapas: la jornada montañosa con final en Risoul (victoria que le sirvió también para auparse al liderato) y la cronoescalada final con llegada en esa misma estación de esquí alpina.

Siete días después se adjudicó la Ruta del Sur: aupado al liderato merced a su triunfo en la penúltima etapa, la diferencia lograda ese día le permitió imponerse en la clasificación general con más de un minuto sobre el segundo clasificado, y más de tres sobre el tercero.

En 2013, se estrenó nuevamente en competición participando en pruebas menores del sur español en el mes de febrero, siendo séptimo en la Vuelta a Andalucía y undécimo en la Vuelta a Murcia (carrera que había ganado un año antes, aunque en esta ocasión se disputó una sola etapa por restricción de presupuesto).

En marzo llegó su primer objetivo de la temporada, la París-Niza, en la que finalizó decimoquinto: tras ceder 12 s en el prólogo llegó en el pelotón junto a los favoritos en las tres primeras etapas, pero en la cuarta entró a Saint Vallier a dos minutos del grupo y quedó sin opciones para disputar la carrera, si bien mejoró su papel en la montaña aún restante al ser octavo en la etapa reina que culminaba en la montaña del Lure y tercero en la tradicional cronoescalada final al Col d'Èze (en la que solo marcaron mejor tiempo que él los dos primeros de la general, Richie Porte y Andrew Talansky).

Sin embargo, después de mantenerse en esa posición en las dos jornadas posteriores, en la última etapa disputada en un circuito por Montjuic en Barcelona se produjo una escapada de Michele Scarponi (quinto hasta entonces, a 5 s del colombiano) que sirvió al italiano para auparse al tercer cajón del podio en detrimento de Quintana, que descendió al cuarto puesto por once segundos.

En la llegada en alto al Alpe d'Huez, la etapa con más montaña de este año, descuenta tiempo a los demás favoritos y se pone tercero en la general a 19 segundos del segundo el español Alberto Contador.

[31]​ Tras un comienzo complicado en la carrera italiana, en el que tuvo una caída y sufrió de bronquitis, Quintana se vistió con la maglia rosa del Giro al ganar la decimosexta etapa, trayecto que contaba con tres ascensos difíciles, el Paso Gavia, el Paso Stelvio y final en Val Martello, en una jornada con mucha nieve y llena de polémica, ya que varias informaciones apuntaban a que la organización había decidido una supuesta neutralización tras el paso por la cima del Stelvio por razones de seguridad.

[36]​ La Vuelta comenzó con el triunfo del Movistar en la contrarreloj por equipos y Quintana quedó ubicado 5.º en la clasificación general.

En la 6.ª etapa con final en Cumbres Verdes (La Zubia), cedió tiempo con otros favoritos como su compañero Valverde, Froome, "Purito" Rodríguez y Contador.

[37]​ Al día siguiente, una nueva caída en la que se fracturó la apófisis coracoides lo obligó a abandonar la Vuelta.

[38]​ Quintana debió ser operado y aunque los médicos declararon que en 6-8 semanas estaría en condiciones de competir otra vez, el mánager del equipo Eusebio Unzué,[39]​ anunció que no lo haría más por el resto de la temporada.

Corrió la Tirreno-Adriático, donde ganó la etapa reina con final en alto en el Monte Terminillo, en una jornada con nieve y condiciones climáticas adversas.

Días después se corona campeón en la última contrarreloj, siendo el primer ciclista de Colombia en ganar esta carrera.

Luego corrió la Vuelta al País Vasco, donde finalizó 4.°, a 38 segundos del ganador Joaquim Rodríguez.

En el mes de marzo corre la Volta a Cataluña, alzándose con su primera victoria del año superando en la clasificación general al español Alberto Contador y al irlandés Daniel Martin, convirtiéndose en el tercer colombiano en ganar la Volta, después de Álvaro Mejía y Hernán Buenahora.

[46]​ Comenzó el Tour de Francia muy concentrado y sin perder tiempo en la primera semana, para que no ocurriera lo del año anterior.

No obstante, en la octava etapa con final en Bagnères-de-Luchon, Froome lanzó un ataque en la bajada del Peyresourde, lo que le hizo perder ya medio minuto.

Nairo logró tres segundos lugares en las siguientes etapas: En esta última etapa, aventajó en más de dos minutos a Froome, su máximo rival, por lo que al término de ella le aventajaba en 3'37" en la general, tiempo suficiente como para poder pensar en conquistar su primera Vuelta a España.

Llegó vestido a la última etapa con la maglia rosa con 53 segundos de ventaja sobre Tom Dumoulin, favorito para la contrarreloj final de 29,5 km, donde se pronosticaba que superara a Nairo, para así quedarse con el título.

[69]​ En el mes de abril, tomó partida en la Vuelta al país Vasco, quedando quinto en la general.

[72]​ También en las etapas de montaña 11 y 12 en los Alpes, perdió tiempo importante que lo hizo alejarse del podio.

Inició la temporada en su país con el Tour Colombia, donde ganó la última etapa y terminó quinto en la general.

Los conflictos entre Nairo y el equipo se agudizaron antes del Tour, debido a la estrategia de Movistar de tener tres capos para la carrera (Mikel Landa, Nairo Quintana y Alejandro Valverde), lo que molestó a Quintana cuando habían venido trabajando con dos en años anteriores.

Sin embargo, en el transcurso de la ronda gala Nairo sufre dos caídas graves que perjudican su rendimiento en competencia, incluso se presumió que abandonaría la carrera, pero por respeto a su equipo (donde era el jefe de filas para pelear el título) continuó hasta la última etapa en París aunque con muchas dificultades debido al dolor, haciéndole perder cada día más tiempo en la general.

Estas afectaciones le impidieron participar del Mundial de Ruta en Imola (Italia), donde tenía programado correr.