Striker Nelson, 19, gick av skadad bara några minuter efter att ha introducerats som ersättning i lördagens 1-1 dragning med Plymouth Argyle.
Han har spelat fyra matcher för Pools sedan han gick med i januari.
"Det är tveksamt att han kommer att kunna spela igen den här säsongen," huvudet fysiko Ian Gallagher berättade klubben hemsidan.
Dave Jones sade: " Det är så olyckligt för Andrew och för oss.
"Han har kommit hit för att få lite senior erfarenhet, hade gjort bra i de spel han spelat och har slitsade väl med resten av grabbarna."
Hartlepool United låntagare Andrew Nelson har återvänt till föräldraklubben Sunderland för behandling efter skanning visade att han har skadat medial knäligament.