Tuy rất bận rộn và để nhiều tâm trí, thời gian cho công việc tổ chức và quản lý nhưng ông vẫn dành thời gian cho sáng tác với các tác phẩm được đánh giá cao trong giới.Có một điều thú vị là ông cùng đi kháng chiến với nhà văn Thép Mới, nếu nhà văn Thép Mới nổi tiếng với bài tùy bút "Cây tre Việt Nam" thì họa sĩ Trần Đình Thọ cũng là người nổi tiếng với bức tranh sơn mài Tre (1957). – một tác phẩm được đánh giá là kiệt tác về đề tài này. Năm 2001, họa sĩ đã được tặng Giải thưởng Nhà nước về Văn học - Nghệ thuật đợt I cho các tác phẩm: Ra đồng - sơn mài (1961); Nhà sàn Bác Hồ - sơn dầu (1971); Đêm hành quân - sơn mài (1974); Tre - sơn mài (1957); Cấy ở Miền núi - sơn mài (1993); Kéo pháo Điện Biên - sơn mài (1994).

Trần Đình Thọ đã sử dụng và thành công với nhiều chất liệu: thuốc nước, lụa, sơn mài, sơn dầu, khắc gỗ. Thành công hơn cả của ông là về đề tài phong cảnh, nông thôn. Nhiều tác phẩm của ông đã được lưu giữ tại Bảo tàng Mỹ thuật Việt Nam,Liên Xô (cũ), Tiệp Khắc (cũ), Bảo tàng Phương Đông, Bảo tàng Nghệ thuật Bratislava (Cộng hoà Séc) và trong nhiều sưu tập tư nhân ở Pháp, Italia, Nhật Bản, Ba Lan, Đức...