Nguyễn Gia Thiều là người có sự hiểu biết sâu rộng về văn học, sử học và triết học. Ông còn tinh thông nhiều bộ môn nghệ thuật như âm nhạc, hội họa, kiến trúc, trang trí. Về âm nhạc, Nguyễn Gia Thiều sở trường các bài ca, bài tán, ông là tác giả các bản Sơn trung âm và Sở từ điệu. Về hội họa, ông có bức tranh lớn Tống sơn đồ, dâng vua xem được khen thưởng. Về kiến trúc, trang trí, ông là người được chúa Trịnh giao cho trông nom việc trang hoàn phủ chúa và điều khiển xây tháp chùa Thiên Tích. Các công trình nghệ thuật của Nguyễn Gia Thiều đến nay không còn được lưu lại.

Về sáng tác, Nguyễn Gia Thiều có hai tập thơ chữ Hán là Ôn Như thi tập, khoảng một nghìn bài, nhưng đã thất truyền. Những tác phẩm chữ Nôm, ngoài Cung oán ngâm khúc, ông còn có Tây hồ thi tập và Tứ trai thi tập, hiện cũng chỉ còn vài ba bài chép trong tập Tạp ký của Lý Văn Phức như Cảnh trong vườn và Miếng tình.

Nguyễn Gia Thiều tuy thuộc tầng lớp quý tộc, nhưng sống trong một thời kỳ nhiều biến động, loạn lạc. Tác phẩm Cung oán ngâm khúc của ông nói lên tâm trạng ai oán của một cung phi sống trong hoàng cung. Nhiều nhà phê bình đánh giá Cung oán ngâm khúc chịu ảnh hưởng bởi Chinh phụ ngâm của Đặng Trần Côn qua bản dịch của Đoàn Thị Điểm, từ thể loại ngâm khúc viết bằng song thất lục bát đến cách phát triển chủ đề cũng như bút pháp nghệ thuật.

Nguyễn Gia Thiều có nhiều con, trong số đó bốn người con đầu giỏi văn chương, có một tác phẩm chung là Tứ trai thi tập, gồm sáng tác của Tâm Trai - tức Nguyễn Gia Thiều, Kỷ Trai - Nguyễn Gia Cơ, Hoà Trai - Nguyễn Gia Diễm và Thanh trai - Nguyễn Gia Chu.