Từ năm 1960 đến năm 1963, ông đã nghiên cứu và công bố 12 công trình nghiên cứu về vật lý neutrino. sau đó Viện nghiên cứu hạt nhân Dupna quyết định thành lập một nhóm nghiên cứu mới và giao cho ông phụ trách, nhóm gồm các nhà vật lý thuộc nhiều quốc tịch: Liên Xô, Hungary, Romania và Việt Nam. Dưới sự hướng dẫn của ông, 6 nghiên cứu sinh bảo vệ thành công luận án tiến sĩ. Năm 1967 ông hoàn thành tập sách gồm 20 công trình nghiên cứu có tựa đề "Thuyết đối xứng đơn của các hạt cơ bản" và được nhà xuất bản Nguyên Tử in ở Moskva năm 1967 với lời giới thiệu của nhà bác học danh tiếng Bogolubov, viện trưởng Viện Dupna.

Giáo sư - Viện sĩ Nguyễn Văn Hiệu là tác giả của 130 công trình nghiên cứu khoa học, trải rộng trên nhiều lĩnh vực, từ tương tác yếu và đối xứng của các hạt cơ bản, đến lý thuyết giải tích về tương tác mạnh và lý thuyết trường, rồi phương pháp lý thuyết trường lượng tử trong vật lý chất rắn, trong đó có nhiều công trình được công bố trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế có uy tín.

Trong công tác quản lý ông đã có đóng góp to lớn trong việc thành lập Viện Vật lý, Viện Khoa học Việt Nam và trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội. Ngoài ra ông còn là đại biểu Quốc hội của nước CHXHCN Việt Nam 5 khoá liên tiếp từ khoá IV tới khoá VIII.