Tháng 3 âm lịch năm Cảnh Trị thứ 2 (1664) thời Lê Huyền Tông ông làm Hình bộ Hữu thị lang[3].

Cảnh Trị năm thứ 5 (1667) ông được cử làm Chánh sứ sang nhà Thanh (Trung Quốc)[2]. Tháng 2 năm 1669, đoàn sứ thần Nguyễn Quốc Khôi, Nguyễn Công Bích, Lê Vinh về nước. Theo lệ cũ, cứ 3 năm một lần sang tiến cống, quà cáp tiễn đưa phiền phức. Đời Vạn Lịch nhà Minh đã cho phép cứ 6 năm cống gộp cả hai lần. Đến đây, nhà Hậu Lê lại muốn theo lệ cũ từ thời nhà Minh, liền soạn bản tâu, sai Quốc Khôi sang nhà Thanh tâu xin một thể. Hoàng đế Thanh Thánh Tổ (Khang Hy) y cho. Từ đấy về sau theo đó làm thường lệ. Tới tháng 6, xét công đi sứ, ông được giao làm Lễ bộ tả thị lang, tước Ngọc Trì tử[3].

Tháng 4 năm Cảnh Trị thứ 8 (1670) ông cùng Lại bộ hữu thị lang Đặng Công Chất vào hầu kinh điện[3].

Sau khi vua Lê Gia Tông lên ngôi, vào tháng 3 năm Dương Đức thứ 2 (1673) ông được giao làm Hộ bộ hữu thị lang[3].

Tháng 12 năm 1673, ông được giao làm Lại bộ tả thị lang[3]. Ngày 9 tháng 5 âm lịch năm Dương Đức thứ 3 (1674), Bồi tụng Lại bộ hữu thị lang Liên Trì tử Nguyễn Quốc Khôi chết. Quốc Khôi là người khẳng khái dám nói. Tin cáo phó đến, Tây Định vương Trịnh Tạc thương tiếc lắm, truy tặng ông chức Binh bộ thượng thư, tước Trì quận công, ban thụy hiệu là Cương Trung[3].