Nguyễn Đình Cổn tuy còn nhỏ nhưng đã rất thông tuệ, tướng mạo khôi ngô, thông minh khác thường. Ông nổi tiếng khắp vùng vì tài đối đáp sáng suốt hơn người.

Năm 1667, đời vua Lê Huyền Tông, niên hiệu Cảnh Trị năm thứ 5, lúc đó Nguyễn Đình Cổn mới 15 tuổi, đã đỗ Giải Nguyên trong kỳ thi Hương khoa Đinh Mùi, nhưng chưa đủ tuổi để làm quan.

Năm 1668, ông lại đỗ khoa Ân thi Sĩ vọng.

Năm Bính Thìn (1676), đời vua Lê Hy Tông, niên hiệu Vĩnh Trị năm thứ nhất, Nguyễn Đình Cổn tiếp tục đỗ đệ tam giáp đồng Tiến sỹ xuất thân lúc 25 tuổi.

Cùng năm đó, triều đình lại mở khoa thi Tư khoa Đông các tiến sỹ, Nguyễn Đình Cổn đỗ hàng thứ ba, được sung Đông các hiệu thư. Sách Nghệ An ký chép rằng: “Ông là người cao minh tài trí hơn người, cha ông là Hương cống. Trong một năm đỗ Đệ tam giáp đồng Tiến sỹ xuất thân và Đông các Tiến sỹ. Hai lần bái tổ vinh quy. Người như thế xưa nay hiếm có”.

Vua Lê ban thưởng ông bốn chữ vàng “Nhất niên lưỡng vinh quy” (Tạm dịch: Một năm hai lần vinh quy bái tổ). Lần bái tổ vinh quy thứ nhất, Nguyễn Đình Cổn được hàng tổng rước theo đường Nam Đường về Bích Triều. Lần thứ hai, hai tổng Bích Hào và Thổ Hào phải mở con đường mới từ núi Cơ Sơn (ngày nay thuộc xã Nam Lộc, huyện Nam Đàn) để rước như một tân khoa. Cũng nhờ vậy mà ngày nay thành con đường thuận tiện cho nhân dân đi lại.