Sự nghiệp huấn luyện của Van Nistelrooy bắt đầu vào tháng 6/2013, khi ông làm việc cùng các huấn luyện viên học viện ở đội U17 PSV Eindhoven. Sau đó, Van Nistelrooy gia nhập ban huấn luyện của HLV Guus Hiddink ở đội tuyển quốc gia Hà Lan hậu World Cup 2014. Năm 2016, ông trở thành HLV tiền đạo cho các đội U17 và U19 tại PSV, trước khi tiếp quản đội U19 hai năm sau đó.
Van Nistelrooy kế nhiệm Roger Schmidt làm HLV trưởng đội một PSV trước mùa 2022/23, mùa giải mà PSV kết thúc ở vị trí thứ hai chung cuộc. Tuy nhiên, ông đã rời PSV trước trận đấu cuối cùng của CLB ở giải VĐQG Hà Lan (Eredivisie).
Khi dẫn dắt PSV, Van Nistelrooy đã giành được Cúp Johan Cruyff và Cúp quốc gia H&a
