Ông cùng với một số sĩ phu Bắc Hà đương thời như Vũ Tông Phan, Nguyễn Văn Siêu, Cao Bá Quát, Lê Duy Trung, Phạm Sĩ Ái… đã gặp nhau trong những nghĩ suy về thời cuộc. Họ mau chóng trở thành những bạn chí thiết cùng chí hướng là giúp dân và gìn giữ truyền thống văn hóa dân tộc cùng vai trò trung tâm văn hóa của Thăng Long. Ngay sau ngày vinh quy, ông đã cùng bạn bè hoàn thành việc lập Văn Hội Thọ Xương nhằm tập hợp đông đảo trí thức của gần hết vùng nội thành để thực hiện điều nói trên. Nguyễn Văn Lý chính là một trong những thành viên hoạt động tích cực nhất. Văn hội dưới sự lãnh đạo của nhóm các ông và cả sau khi các ông qua đời đã gắng sức thực hiện đúng tôn chỉ. Năm 1873, khi Đốc học Hà Nội Lê Đình Diên bị bọn tay chân Pháp hành hung, Văn hội đã lập ngay nghĩa đoàn 300 người đi phản kháng.

Ông đã góp công sức vào việc xây dựng Hội Hướng Thiện ở Hà Nội. Nhưng khi họp đại hội thành lập, ông đã phải trở lại Huế. Dưới sự lãnh đạo của Vũ Tông Phan, sau này là Nguyễn Văn Siêu, hội đã có tác động rộng hơn trong việc khuyến khích giữ vững truyền thống văn hóa dân tộc. Đặc biệt, hội đã tổ chức tôn tạo vùng phía Bắc của Hồ Gươm thành quần thể kiến trúc Ngọc Sơn - một di tích lịch sử - văn hóa giữa Thăng Long.

Ông kiên trì hơn 20 năm để sưu tầm và biên soạn bộ Thế phả dày 418 trang, viết Tự gia yếu ngữ, Đông Tác Nguyễn thị Gia huấn để dạy con cháu. Ông cũng là người hiệu đính, bổ sung và đề tựa cho bộ sách có giá trị là Bắc Thành chí lược do Lê Chất khởi xướng (1845). Trong lời tựa, có câu: "ông Lê Chất chỉ là tướng võ mà chí nghiệp rộng xa như thế đấy". Trong hoàn cảnh đương thời khi Lê Chất nguyên Tổng trấn Bắc Thành đã cùng với Lê Văn Duyệt bị kết tội rất nặng, mộ bị san phẳng thì có thể đánh giá lòng quả cảm và tâm huyết với việc xây dựng nền văn hóa dân tộc của ông.

Với làng xã, ông giúp củng cố văn hội, văn chỉ, khuyến khích việc học và tìm cách giúp đỡ dân nghèo.

Với việc mở trường Chí Đình, ông đã góp phần đào tạo nhiều danh sĩ cho Thăng Long như Tiến sĩ Nguyễn Trọng Hợp, Tiến sĩ Hoàng Tướng Hiệp, ông Cử Vũ Thạch Nguyễn Huy Đức... Ông được xem là một trong những người thầy nổi tiếng thời đó ở Hà Nội.

Nguyễn Văn Lý mất ngày 17 tháng 8 năm Mậu Thìn (1868) tại ngôi nhà ở phố Hàng Bồ, thọ 74. Trưởng môn Nguyễn Trọng Hợp cùng các môn sinh dựng nhà thờ thầy tại làng Trung Tự (nay thuộc tổ 23B, phường Phương Liên, quận Đống Đa, Hà Nội). Thi hài ông phải quàn tại nhà hàng tháng để mọi người các nơi tới viếng.