Den 35-årige svensken var 20 sekunder bakom täten efter första varvet (VM-maran bestod av tre 14-kilometersvarv) och han missade även att ta sin sportdryck vid lagningen en bit in på det andra varvet.
Halvvägs in i loppet tvingades Nilsson sedan bryta loppet.
– Han sade till vid vår vätskekontroll efter 18–19 kilometer att han hade ont i foten och skulle komma bryta, vilket han gjorde strax därefter, säger landslagsledaren Lorenzo Nesi till SVT.
– Det är ju nattsvart, framför allt för David. Otroligt trist.
VM-guldet i maratonloppet gick till Tamirat Tola, Etiopien. Segertiden skrevs till 2.05.35, ett nytt mästerskapsrekord.