Nguyễn Hồng Sơn gia nhập đội Câu lạc bộ Quân đội (còn gọi là Thể Công) năm 1988 và bắt đầu khoác áo đội tuyển quốc gia năm 1993. Ban đầu Hồng Sơn thi đấu tại vị trí tiền đạo sau đó chuyển sang tiền vệ cánh. Năm 1990 Hồng Sơn giành danh hiệu vua phá lưới giải vô địch quốc gia. Anh đã từng giành được huy chương bạc tại SEA Games 18, 20 và Tiger Cup 1998, huy chương đồng tại Cúp Tiger 1996 và SEA Games 19. Năm 1998, sau khi nhận giải thưởng "Cầu thủ xuất sắc nhất Tiger Cup", Nguyễn Hồng Sơn đã từng được trao danh hiệu cầu thủ xuất sắc nhất tháng của châu Á đó là tháng 8 năm 1998 và "Quả bóng vàng Việt Nam" lần đầu tiên. Đến năm 1999 anh đứng thứ 2 tại giải đấu bóng đá biểu diễn do Pepsi tổ chức (Giải đấu này gồm nhiều danh thủ tham gia như David Beckham, Yorke, Ruis Cósta, Roberto Carlos,...) Đầu năm 2001, Anh giành danh hiệu "Quả bóng vàng Việt Nam" lần thứ hai. Cuối mùa giải V-League 2002 Hồng Sơn tuyên bố giải nghệ do chấn thương nhưng đến giai đoạn 2 mùa giải 2003 anh quay lại đội bóng Thể Công và sau đó thi đấu cho Công nhân Bia Đỏ. Anh cũng là sĩ quan Quân đội Nhân dân Việt Nam, cấp bậc Trung tá.[3]

Năm 2001 trước khi rời Việt Nam, HLV Dido để lại câu nói bất hủ về Sơn: "Nếu Hồng Sơn được sinh ra ở Brazil, cậu ấy đủ khả năng trở thành huyền thoại của bóng đá thế giới".

Sau khi nghỉ thi đấu, Nguyễn Hồng Sơn trở thành huấn luyện viên bóng đá dẫn dắt Câu lạc bộ bóng đá Thành Nghĩa - Quảng Ngãi, sau đó là đội U15 của Thể Công. Tại Đại hội Thể thao Đông Nam Á 2007, anh làm huấn luyện viên phó đội tuyển futsal quốc gia Việt Nam.