Năm 1963, do đề nghị của hàng Giáo phẩm, Giám mục Vinh Gioan Baotixita Trần Hữu Ðức đã chọn người bạn cố tri của mình là Phaolô Nguyễn Đình Nhiên làm Giám mục phó.[3] Catholic Hierachy cho rằng ngày 5 tháng 2 năm 1963, Tòa Thánh thông báo việc bổ nhiệm linh mục Phaolô Nguyễn Đình Nhiên làm Giám mục Phó giáo phận Vinh.[3] Niên giám Công giáo Việt Nam 2016 cho rằng ông đắc cử vị trí giám mục phó hai ngày trước khi được tấn phong, ngày 13 tháng 3 năm 1963.[8] Việc chọn lựa giám mục phó giáo phận Vinh nhưng chọn một linh mục đồng hương, đồng khóa vì linh mục Nhiên là một linh mục nổi bật vì giữ các vai trò trọng yếu trong giáo phận như Tổng Đại diện và Giám đốc Đại chủng viện.[7]

Lễ tấn phong giám mục cho vị tân giám mục diễn ra vào ngày 15 tháng 3 cùng năm, do giám mục chính tòa Gioan Baotixita Trần Hữu Đức chủ phong, tgeo thông tin từ Catholic Hierachy và Sách Niên giám Công giáo Việt Nam 2016.[3][8] Theo trích dẫn từ Catholic News Service, số ngày 24 tháng 6 năm 1963 thì ngày tấn phong là ngày 15 tháng 5.[1] Việc tấn phong cho ông cũng được ghi nhận là vào tháng 5 trong một bản tin khác.[9]

Theo nguồn tin từ Đại chủng viện Thánh Phanxicô Xaviê (tên thường gọi là Đại chủng viện Vinh - Thanh), trong thời gian làm giám mục phó, giám mục Nguyễn Đình Nhiên không còn đảm nhận vai trò Giám đốc Đại chủng viện Xã Đoài.[10] Do trong thời gian chiến tranh ác liệt, cộng với không khí kỳ thị lương giáo, cùng những áp lực về vật chất và tinh thần, cộng với tuổi già, làm ông mắc thêm chứng bệnh đau dạ dày, nên phải xin phép về dưỡng bệnh tại xứ Bùi Ngoã.[2]

Các nhà thờ thường bị bom đạn tàn phá, giám mục Phó Nguyễn Đình Nhiên bị gãy tay trong cuộc không kích đầu năm 1969.[2] Ít lâu sau, ông trở về làm Giám đốc Đại chủng viện vì trường thiếu linh mục coi sóc và qua đời ở Bùi Ngõa thuộc Xã Đoài vào ngày 24 tháng 3 năm 1969.[5][7]