Hơn hai năm ở Paris, chẳng những ông hiểu biết nhiều về khoa học - kỹ thuật, có trình độ như một kiến trúc sư, một người biết khai mỏ, mà còn đọc rộng về các mặt chính trị, kinh tế, quân sự, ngoại giao, pháp luật, v.v... và tìm hiểu được một số hoạt động công nghệ của nước Pháp.

Trên đường đi sang Pháp và trở về Việt Nam, Nguyễn Trường Tộ còn có dịp ghé qua Rome, dừng chân ở Singapore và Hongkong.

Năm 1861, Nguyễn Trường Tộ trở về Tổ quốc, phải cập bến Sài Gòn, khi tỉnh thành Gia Định đã bị quân viễn chinh Pháp và Tây Ban Nha chiếm đóng.

Gần ba năm sống trong lòng địch, Nguyễn Trường Tộ bất đắc dĩ phải làm việc với quân Pháp, phiên dịch các công hàm trao đổi giữa triều đình Huế với Soái thủ Pháp ở Gia Định. Nhiều lần ông sửa bớt chữ nghĩa trong công hàm của đôi bên, tránh những lời lẽ quá khích, xúc phạm tới triều đình hoặc phương hại cho việc "tạm hòa". Nhiều lần ông tìm cách thông báo cho các sứ thần của triều đình như Nguyễn Bá Nghi, Phan Thanh Giản, Phạm Phú Thứ một số âm mưu quỷ kế của giặc Pháp.

Năm 1863, Nguyễn Trường Tộ tìm cách thoát ra khỏi khu vực chiếm đóng của quân Pháp, liên hệ được với triều đình Huế. Từ đây cho đến cuối đời ông viết hàng loạt điều trần, luận văn, tờ bẩm, trình nhiều kiến nghị có tầm chiến lược nhằm canh tân đất nước, tạo thế vươn lên cho dân tộc để giữ nền độc lập một cách khôn khéo mà vững chắc.

Hơn sáu mươi di thảo của Nguyễn Trường Tộ đã sưu tầm được, bàn về nhiều phương diện:

- Về mặt kinh tế, Nguyễn Trường Tộ vạch ra đường lối làm cho "nước giàu mà dân cũng giàu". Ông khuyên triều đình ra sức mở mang nghề nghiệp, học cách làm ăn của các nước văn minh Tây Âu, tránh bế quan tỏa cảng, mời các công ty kinh doanh nước ngoài đến giúp Việt Nam khai thác tài lợi để có thêm của cải và học cho được kỹ thuật cũng như cách làm ăn tiên tiến của họ. Có như vậy mới giữ được độc lập trong tư thế làm chủ đón khách... (xem Dụ tài tế cấp bẩm từ).

- Về mặt văn hóa - xã hội, Nguyễn Trường Tộ khuyên triều đình tìm mọi cách nâng cao văn hóa đất nước theo hướng coi trọng khoa học - kỹ thuật, để sớm nâng cao đời sống của nhân dân. Ông phê phán tình trạng kinh đô Huế luộm thuộm, mất vệ sinh, công thự dột nát, lương bổng quan lại quá ít ỏi,v.v... Ông nêu hàng loạt vấn đề quan trọng như: nên sáp nhập các tỉnh để giảm bớt số quan lại và có điều kiện tăng lương cho quan lại nhằm giảm tệ tham nhũng, khuyến khích tính liêm khiết; đề nghị sửa đổi chính sách thuế, đánh thuế nhà giàu nặng hơn nhà nghèo, đánh mạnh vào xa xỉ phẩm, mặt khác không nên cấm dân dùng đồ đẹp, đồ sang khiến cho văn vật ngày càng kém, áo xiêm ngày càng tồi; đề nghị sửa đổi chế độ thi cử, chú trọng bồi dưỡng nhân tài về nhiều mặt, thành lập các môn học thực dụng, dùng quốc âm trong công văn thay cho chữ Hán, lập địa đồ quốc gia và các tỉnh, kiểm kê dân số, lập trại tế bần, viện dục anh (nhà trẻ), v.v... (xem Điều trần về cải cách phong tục, Học tập bồi dưỡng nhân tài, Tế cấp bát điếu... ).

- Về mặt ngoại giao, Nguyễn Trường Tộ phân tích cho triều đình thấy rõ cục diện chính trị trên toàn thế giới, để biết ứng xử một cách linh hoạt (xem Thiên hạ đại thế luận). Ông chỉ ra những mâu thuẫn giữa Pháp với Anh và Tây Ban Nha và khuyên triều đình nên chủ động mở rộng bang giao với nhiều nước, nhất là với nước Anh, để chế ngự bớt tham vọng và khả năng xâm lược của Pháp. Khi nước Pháp có sự biến lớn năm 1870 - 1871, vua Napoléon III mất ngôi, chế độ cộng hòa Pháp phục hồi, Nguyễn Trường Tộ nêu một loạt kiến nghị, hướng dẫn triều đình xúc tiến ngoại giao trực tiếp với Chính phủ Pháp, khéo léo đối phó, ngăn chặn bọn chỉ huy quân viễn chinh Pháp ở Soái phủ Sài Gòn, nhằm tìm cách thu hồi lại sáu tỉnh đã bị chiếm (xem Lục lợi từ và các tờ bẩm cuối năm 1866 đến tháng 2-1871).

- Về mặt quân sự, Nguyễn Trường Tộ tuy là một người "chủ hòa", nhưng không có tư tưởng "chủ hàng" hoặc hòa bình vô nguyên tắc. Năm 1867, ông khuyên triều đình "ra sức cải tu võ bị", đề phòng quân Pháp từ Nam Kỳ đánh lan ra cả nước. Ông là người đầu tiên nêu lên một chính sách quân sự có hệ thống như: trọng võ ngang trọng văn, quý trọng người lính, ưu đãi sĩ quan, biên soạn lý luận binh pháp, đào tạo cán bộ chỉ huy, tạo dựng một quốc thể về mặt binh bị, chuẩn bị điều kiện tác chiến trong thành phố, tìm cách dùng người trong vùng địch chiếm, v.v...

Ngoài những bản điều trần và luận văn tạo nên một công trình trí tuệ vĩ đại vô giá, Nguyễn Trường Tộ còn để lại một số hoạt động thực tiễn xuất sắc như: Năm 1862 - 1863, ông thiết kế xây dựng tòa nhà nguyện của dòng tu nữ ở Sài Gòn. Năm 1864 - 1866, ông thiết kế xây dựng bốn ngôi nhà trong giáo khu Xã Đoài. Mấy công trình này của ông thuộc về những công trình kiến trúc đầu tiên theo kiểu châu Âu ở Việt Nam giữa thế kỷ 19. Cũng giữa những năm 60 thế kỷ 19, khi hoạt động ở quê nhà, ông đã giúp Tổng đốc Nghệ An Hoàng Tá Viêm đào Kênh Sắt, một công trình xưa kia Cao Biền rồi Hồ Qúy Ly dự định làm mà không làm nổi. Ngoài ra, ông còn vận động dân chúng ở Xuân Mỹ, quê hương bên nhà vợ Ông, cùng nhau dời làng từ trong núi rừng đầy lam chướng ra nơi thoáng đãng, thuận lợi canh tác.

Trí tuệ lỗi lạc của Nguyễn Trường Tộ đã vượt hẳn lên trên tầm thời đại giữa thế kỷ 19 ở Việt Nam. Vua Tự Đức tuy đã có lúc triệu ông "vào kinh để hỏi việc lớn" và phái ông sang Pháp thuê thầy thợ, mua sách vở, máy móc, định du nhập kỹ thuật (năm 1866 - 1867), nhưng nói chung, triều đình nhà Nguyễn cũng như các nho sĩ, văn thân thời ấy chưa hiểu nổi luồng tư tưởng của ông, nên chưa coi trọng đúng mức những kiến nghị cách tân của ông. Trí tuệ lỗi lạc của Nguyễn Trường Tộ bị lãng quên như một luồng ánh sáng rọi vào đám sương mù dày đặc.

Ông chết âm thầm ở làng quê Bùi Chu ngày 10 tháng 10 năm Tự Đức thứ 24, tức 23 tháng 11 năm 1871.