Tác phẩm của Nguyễn Tông Quai có:

• Sứ Hoa tùng vịnh (Chùm thơ vịnh trên đường đi sứ Trung Hoa), hiện có rất nhiều dị bản. Đây là tập thơ gồm khoảng 200 bài thơ chữ Hán, xướng họa cùng Chánh sứ Nguyễn Kiều. Ngoài 6 bài Tựa (trong đó có sứ giả Triều Tiên Lý Bán Thôn, tức Lý Tông Lâm và danh sĩ Việt Nam là Hồ Sĩ Đống), Bình ở đầu tiền, hậu tập, phần cuối của thi phẩm là ngót trăm bài thơ xướng họa tặng đáp với nhân sĩ Trung Quốc (như Trương Hán Chiêu, Âu Dương Vượng, Vương Văn Tường,..) và sứ giả Triều Tiên Lý Bán Thôn. Nhiều bài thơ trong tập thanh cao, diễm lệ, hài hòa, giữa thơ và họa, cân đối giữa tình và ý, rất điêu luyện về mặt dùng chữ đặt lời, về cách phối hợp các hình ảnh, nhịp điệu, âm thanh...được nhiều danh sĩ trong và ngoài nước khen [4].
• Sứ trình tân truyện (Truyện mới về lộ trình đi sứ). Đây là một tác phẩm có tính chất ký sự, gồm 670 câu thơ lục bát chữ Nôm và một số thơ Nôm làm theo Hàn luật. Nội dung là ghi lại tâm tư, cảm xúc, ngâm vịnh về danh lam thắng tích, sơn kỳ thủy tú của tác giả trên dặm dài từ Thăng Long đến Yên Kinh (Bắc Kinh) trong lần đi sứ lần thứ nhất (1742 – 1745). Giữa mạch lục bát, có xen vào 8 bài thơ Nôm Đường luật, được nhiều nhà nghiên cứu văn học xem là một chùm thơ đẹp.
• Ngũ luân tự (Thuật lại năm điều luân thường), gồm 646 câu thơ Nôm song thất lục bát.

Ngoài ra, Nguyễn Tông Quai còn cùng với Nguyễn Trác Luân, Ngô Tuấn Cảnh và Nguyễn Bá Luân làm ra quyển Vịnh sử thi tuyển (Quyển thơ vịnh sử) gồm 334 bài thơ chữ Hán, đề vịnh các thắng cảnh, sự tích, danh nhân...Trong quyển này, phần Nguyễn Tông Quai có 80 bài thơ.