Ngày 30 tháng 12 năm 1992, Phó tế Nguyễn Chí Linh được giám mục Phaolô Nguyễn Văn Hòa, giám mục Giáo phận Nha Trang truyền chức linh mục, tại nhà thờ Phan Rang, giáo phận Nha Trang.[13] Sau khi được truyền chức linh mục, vị linh mục trẻ được giám mục giáo phận bổ nhiệm làm linh mục phó giáo xứ Phước Thiện, giáo phận Nha Trang và đảm nhận chức vụ này đến năm 1995.[12]

Sau khoảng thời gian ngắn là 3 năm đảm trách công việc mục vụ tại giáo xứ, trong khoảng thời gian từ năm 1995 đến năm 2003, linh mục Nguyễn Chí Linh được giáo phận cử đi du học tại Paris, Pháp. Ông tốt nghiệp với học vị Tiến sĩ Triết học.[9] Sau khi tốt nghiệp tại ngoại quốc, ông trở về Việt Nam ngày 8 tháng 11 năm 2003 và được chọn làm Giáo sư Đại chủng viện Sao Biển, Nha Trang.[12] Chia sẻ về vấn đề giảng tĩnh tâm cho các linh mục khi đến giảng tĩnh tâm tại Giáo phận Đà Lạt năm 2009, ông thừa nhận rằng mình không có kinh nghiệm giảng tĩnh tâm, vì thời gian đảm trách mục vụ tại các giáo xứ khá ngắn.[17]