Các năm 1957-1959, Nguyễn Khang được cử làm Đại sứ Việt Nam Dân chủ Cộng hòa tại Trung Quốc kiêm nhiệm Đại sứ tại Mông Cổ. Lúc đó, Việt Nam Dân chủ Cộng hòa thiết lập quan hệ ngoại giao với một số ít nước trên thế giới, mà quan hệ với Liên Xô và Trung Quốc là quan trọng nhất nên đảm nhận cương vị đại sứ thường là các Ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam. Năm 1959, Thiếu tướng Trần Tử Bình sang làm đại sứ thay ông.

Ông được bầu làm Ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam tại Đại hội Đảng Cộng sản Việt Nam III và được bổ nhiệm làm Bộ trưởng Chủ nhiệm Văn phòng Phủ Thủ tướng (5.1959 - 4.1965)[4] kiêm Trưởng ban Việt kiều Trung ương[5] và sau đó là Chánh Văn phòng Trung ương Đảng cho đến khi qua đời năm 1976[6].