Sau quá trình tu học, chủng sinh Nguyễn Chu Trinh được thụ phong linh mục ngày 29 tháng 4 năm 1966, tại nhà thờ chính toà Sài Gòn. Sau khi được truyền chức linh mục, linh mục trẻ tuổi được bổ nhiệm đảm nhận vai trò linh mục phó xứ nhà thờ chính toà Xuân Lộc, đồng thời phụ trách các công việc: Truyền thông xã hội của Giáo phận Xuân Lộc và Giám đốc trường trung học cấp 2,3 Hoà Bình.[4]

Từ năm 1975 cho đến năm 2004, linh mục Nguyễn Chu Trinh đảm nhận vị trí chánh xứ nhà thờ chính tòa Xuân Lộc kiêm Hạt Trưởng hạt Xuân Lộc. Từ năm 1978 đến năm 1990, ông kiêm nhiệm vai trò linh mục Đại diện Giám mục Giáo phận Xuân Lộc.[4]

Từ năm 1990, linh mục Trinh đảm nhận công việc Trưởng ban xây dựng các công trình Giáo phận Xuân Lộc và kể từ năm 1993 thì đặc trách Mục vụ Giáo dân, cho đến khi trở thành Tổng đại diện Giáo phận Xuân Lộc năm 2000.[4]