Câu lạc bộ Hà Nội (nay là Câu lạc bộ Sài Gòn)

Sau chức vô địch U-21 quốc gia 2013, Nguyễn Quang Hải mới 16 tuổi lập tức được HLV Phan Thanh Hùng điền vào danh sách của đội bóng Thủ đô tham dự V-League 2014.[6] Tuy nhiên anh không có lần ra sân nào và tới mùa giải 2015 anh khoác áo số 7 của Câu lạc bộ Hà Nội (sau đổi tên thành CLB Sài Gòn) chơi ở vị trí tiền đạo tại Giải bóng đá hạng nhất quốc gia. Anh đã ghi 4 bàn thắng cho Câu lạc bộ Hà Nội, qua đó giúp đội bóng vô địch giải hạng nhất 2015 giành vé thăng hạng chơi ở giải VĐQG V-League 2016.[8]

Hà Nội T&T (nay là Hà Nội FC)

Mùa giải 2016

Mùa giải 2016, Quang Hải trở về CLB Hà Nội T&T và trận đấu đầu tiên anh được góp mặt tại V-League chính là trận đấu derby thủ đô giữa Hà Nội T&T và đội bóng cũ của anh - CLB Hà Nội mới thăng hạng.[5] Nguyễn Quang Hải trở thành thành viên quan trọng của đội 1 Hà Nội T&T tại mùa giải 2016, đóng góp 3 pha lập công ở V-League giúp Hà Nội T&T lần thứ 3 đăng quang vô địch tại giải bóng đá vô địch quốc gia. Tại sân chơi cup quốc gia anh cũng có 2 pha lập công trong trận bán kết,[9] và chung kết cúp quốc gia, và cùng đội bóng Thủ đô giành danh hiệu vô địch V-League 2016.[10]

Mùa giải 2017

Sau chức vô địch V-League 2017, Nguyễn Quang Hải cùng câu lạc bộ bóng đá Hà Nội tham dự vòng sơ loại AFC Champions League gặp câu lạc bộ bóng đá Kiệt Chi trên đất Hồng Kông. Anh thi đấu đầy nỗ lực và có pha kiến tạo cho đội trưởng Gonzalo mở tỷ số ở phút thứ 72.[11] Tuy nhiên đội bóng của anh phải xuống chơi ở AFC Cup khi thất bại đang tiếc với tỉ số 2–3 trước đội chủ nhà. Nguyễn Quang Hải thi đấu 4/6 trận[12] trong mùa AFC Cup mà đội bóng của anh sớm phải chia tay từ vòng bảng.

Nguyễn Quang Hải đóng góp 5 bàn thắng cho đội bóng thủ đô tại V-League 2017.[13] Kết thúc mùa giải, Nguyễn Quang Hải cùng Hà Nội cán đích ở vị trí thứ 3 trên bảng xếp hạng và anh cũng giành được danh hiệu cá nhân "Cầu thủ trẻ xuất sắc nhất" của mùa giải V-League 2017[14] và danh hiệu "Quả bóng đồng Việt Nam" 2017.[15]