Đóng góp to lớn mà Ngô Sĩ Liên còn để lại cho đời sau chính là bộ Đại Việt sử ký toàn thư mà ông đã biên soạn theo lệnh nhà vua, được hoàn tất biên soạn vào năm Kỷ Hợi, niên hiệu Hồng Đức thứ 10 (1479) đời Lê Thánh Tông. Bộ sử gồm 15 quyển, chia thành hai phần:

1. Phần một (ngoại kỷ), gồm 5 quyển, chép từ thời Hồng Bàng đến hết thời Bắc thuộc (năm 938).
2. Phần hai (bản kỷ) gồm 10 quyển, chép từ thời Ngô Quyền dựng nước (năm 938) đến khi vua Lê Lợi lên ngôi (Lê Thái Tổ) vào năm 1428.

Bài tựa Đại Việt sử ký ngoại kỷ toàn thư cũng do Ngô Sĩ Liên viết, có đoạn nêu rõ:

"Trộm nghĩ: may gặp buổi thịnh trị, tự thẹn không chút báo đền, nên không tự nghĩ sức học kém cỏi, lấy hai bộ sách của các bậc tiên hiền làm trước đây, sửa sang lại, thêm vào một quyển Ngoại kỷ, gồm một số quyển, gọi là Đại Việt sử ký toàn thư. Trong bộ sách này, về sự việc, có việc nào trước kia quên sót thì bổ sung vào; về thể lệ có lệ nào chưa thật đúng thì chỉnh lý lại; về văn có chỗ nào chưa ổn thì đổi thay đi; thảng hoặc có việc nào hay việc nào dở có thể làm gương khuyên răn được thì góp thêm ý kiến quê kệch ở dưới... Tuy những lời khen chê ấy chưa có thể làm công luận cho muôn đời về sau nhưng may ra cũng có thể giúp ích phần nào cho việc tra cứu tìm hiểu...".