Cấp câu lạc bộ

Năm 2003, Hữu Thắng bắt đầu sự nghiệp huấn luyện (lúc này ông Nguyễn Hồng Thanh giữ chức danh HLV trưởng thay ông Nguyễn Thành Vinh), cũng trong năm đó SLNA giành 2 chức vô địch, đầu tiên là Cúp bóng đá Thủ đô, ngay tiếp sau là vô địch JVC Cup (giải đấu khai sân Mỹ Đình). Năm 2005, sau sóng gió mâu thuẫn nội bộ, Hữu Thắng được đội bóng Sông Lam Nghệ An với tên gọi mới PJICO SLNA bổ nhiệm làm huấn luyện viên trưởng (các HLV phó là Hà Thìn và Nguyễn Xuân Vinh).[3] Sau đó, do có liên quan tới một vụ tiêu cực, anh bị thay thế. 4 năm sau, nửa sau mùa giải 2009, đội bóng Hà Nội T&T mời anh về thay thế cho HLV Triệu Quang Hà. Anh đã dẫn dắt đội Hà Nội T&T từ vị trí áp chót bảng ở lượt đi kết thúc V-League năm 2009 ở vị trí thứ 4. Tháng 9 năm 2009, anh lại chuyển về huấn luyện đội bóng cũ Sông Lam Nghệ An.[4]

Năm 2010, Nguyễn Hữu Thắng dẫn dắt đội tuyển Sông Lam Nghệ An đoạt Cúp Quốc gia[5]. Ngày 21 tháng 8 năm 2011, lần nữa đánh dấu sự nghiệp vinh quang của Nguyễn Hữu Thắng trong tư cách huấn luyện viên trưởng đội tuyển Sông Lam Nghệ An với chức vô địch V-League 2011. Ngay sau tiếng còi mãn cuộc, HLV Nguyễn Hữu Thắng cùng các học trò chạy ngay về phía khán giả và bật khóc như trẻ con.[6]

HLV trưởng Đội tuyển quốc gia

Từ ngày 3 tháng 3 năm 2016, Nguyễn Hữu Thắng được chọn làm huấn luyện viên trưởng cho đội tuyển bóng đá Việt Nam và đội U-23 quốc gia Việt Nam thay thế cho huấn luyện viên Miura. Nhiệm vụ mà Liên đoàn Bóng đá Việt Nam giao cho anh là phải vào trận chung kết AFF Cup 2016, giành HCV SEA Games 29.[7]

Ngày 6 tháng 6 năm 2016, Hữu Thắng cùng ĐTVN giành chức vô địch giải giao hữu AYA Bank Cup 2016 ở Myanmar sau khi thắng Singapore 3-0 trong trận chung kết của giải.

Ngày 7 tháng 12 năm 2016 sau khi đội tuyển Việt Nam thất bại với tổng tỷ số 3-4 sau 120 phút trận bán kết lượt về AFF Cup 2016 trước Indonesia, Hữu Thắng đã bật khóc ngay trong phòng họp báo sau trận đấu, đây là trường hợp đầu tiên 1 HLV Việt Nam khóc trong phòng họp báo vì thất bại.[8]

Tháng 7 năm 2016, Hữu Thắng dẫn dắt U-23 Việt Nam vượt qua vòng loại U-23 châu Á 2018 trên sân vận động Thống Nhất sau khi giúp đội thắng U-23 Đông Timor 4-0, U-23 Ma Cao 8-1 và thua sát nút U-23 Hàn Quốc 1-2.

Ngàyy 24 tháng 8 năm 2017, sau khi U-23 Việt Nam thua U-23 Thái Lan với tỉ số 0-3 và bị loại ngay từ vòng bảng SEA Games 29, Nguyễn Hữu Thắng đã từ chức huấn luyện viên trưởng đội tuyển quốc gia Việt Nam.[9]