Das Galaxy Nexus arbeitet mit dem heute vorgestellten mobilen Betriebssystem Android 4.0 Ice Cream Sandwich. Spezielle Anpassungen wie sie die meisten Smartphonehersteller bieten, sind nicht enthalten. Google führt damit die OS-Versionen für Smartphones (2.3.x, Gingerbread) und Tablets (3.x, Honeycomb) zusammen und vereinheitlicht die Benutzeroberfläche. Das neue Mobilbetriebssystem liefert rund 30 neue Funktionen. Zu den wichtigsten zählen ein verbessertes Adressbuch, Gesichtserkennung, optimierte Kamerafunktionen und Bildbearbeitung, Datenaustausch über NFC sowie Speech-to-Text.