Neilson werd in 2014 voor het eerst hoofdtrainer, bij zijn jeugclub Heart of Midlothian FC. In 2016 vertrok hij naar Milton Keynes Dons FC. Hij werd bij Hearts opgevolgd door Ian Cathro. In 2018 keerde Neilson weer terug naar Schotland om Dundee United FC te coachen. In juli 2020 volgde hij Daniel Stendel als hoofdcoach op bij Hearts.