I 1999 var han trener for Ørsta Idrettslag. Fra 2008 var han assisterende trener for Hødd, under Einar Magne Skeide. Nilsen ble forfremmet til hovedtrener fra 2010-sesongen og ledet laget til seier i NM i 2012, i en sesong der laget befant seg i nest øverste divisjon og såvidt berget seg fra nedrykk. Han ga seg i november 2013.
Brann
Etter at Lars Arne tok over Sportsklubben Brann i 2015, ledet han laget til 2.-plass og direkte opprykk fra 1. divisjon. I 2016 sikret han 2.-plass i Tippeligaen, og ble også kåret til årets trener i Kniksenprisen.[3]
Sesongen 2019 ble en sportslig nedtur for Lars Arne Nilsen, som hadde et uttalt mål før sesongen om hevde seg i samtlige cuper og i serien. Klubben fortsatte den negative trenden fra høstsesongen 2018 da Branns serieledelse forsvant utover høstmånedene. Brann hadde forut 2019 sesongen forsterket laget ytterlige, blant annet med Veton Berisha, som Lars Arne Nilsen omtalte som en drømmesignering. I tillegg så man spiller som Petter Strand fra Molde FK, Håkon Opdal, Kristoffer Løkberg, i tillegg til Daouda Bamba, spissen som kom i sommervinduet 2018. Lars Arne Nilsen massive investering i laget, og påfølgende svake resultater hadde skapt mye furore blant supportere, men treneren nøt fortsatt stor tilitt i klubben.
På tross av massiv misnøye blant supportere og egen spillergruppe overrasket Branns styre stort da de konkluderte med at Lars Arne Nilsen ville fortsette som hovedtrener også i 2020. Dette var svært overraskende tatt i betraktning stemningen som rådde blant egne spiller og i media generelt. Branns styre begrunnet tilliten med at Lars Arne hadde klare antagelser om hva som gikk galt i sesongen før, og at han hadde planen klar for hvordan han skulle snu tendensen neste sesong. Dette stilte både daglig leder Vibeke Johannesen og sportslig leder Rune Soltvedt seg bak, og ga med det et sterkt mandat for Nilsens videre mandat som Branns trener.[4]
Den 3. august 2020 fikk Nilsen sparken etter å ha tapt mot Vålerenga i 12. serierunde.[5]
Aalesund
Den 25. august 2020 ble Nilsen ansatt som hovedtrener for Aalesund.[6] Han fikk sparken i mai 2023 etter å tapt de fem første kampene av sesongen.[7]
07 Vestur
Den 1. juli 2023 ble Nilsen ansatt som hovedtrener for den færøyske klubben 07 Vestur.[8]
