Từ năm 1960 tới 1963, giáo sư, viện sĩ Nguyễn Văn Hiệu đã nghiên cứu và công bố 12 công trình vật lý về neutrino tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Dubna, Liên Xô cũ. Hiện nay ông là tác giả của 130 công trình nghiên cứu khoa học, trải rộng trên nhiều lĩnh vực, từ tương tác yếu và đối xứng của các hạt cơ bản, lý thuyết giải tích về tương tác mạnh và lý thuyết trường đến phương pháp lý thuyết trường lượng tử trong vật lý chất rắn, trong đó có nhiều công trình được công bố trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế có uy tín.

Trong công tác quản lí ông đã có đóng góp to lớn trong việc thành lập Viện Vật lý, Viện Khoa học Việt Nam và trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội. Ngoài ra ông còn là đại biểu Quốc hội của nước CHXHCN Việt Nam 5 khoá liên tiếp từ khoá IV tới khoá VIII. Ngoài ra ông còn được giới vật lý Châu Á bầu làm chủ tịch Trung tâm Vật lý lý thuyết châu Á - Thái Bình Dương (trụ sở tại Seoul, Hàn Quốc).