GS Nguyễn Đinh Tứ bước chân vào sự nghiệp nghiên cứu và hoạt động khoa học, lĩnh vực hạt nhân nguyên tử, như là lẽ đương nhiên. Theo lời kể của những người bạn học cùng thời với anh ở bậc tiểu học và trung học phổ thông, trong các năm học khoa học cơ bản và ở bậc đại học, anh đều nổi tiếng học giỏi, thông minh và đam mê khoa học.

Tuy vậy, con đường đi đến với lĩnh vực vật lý hạt nhân và vật lý hạt cơ bản của GS lại không thật thẳng tắp, cũng phải qua những bước ngoặt bất ngờ. Sau khi được nhà nước cử sang học Trung Quốc năm 1951, hoàn thành khoá Khoa học chuyên ban 2 năm (1951-1953), lớp Trung văn 1 năm (1953-1954), anh không có cơ hội  theo học các ngành khoa học cơ bản, trái lại được phân đi học ngành Thuỷ lợi - Thuỷ điện ở Đại học Vũ Hán. Và khi nhận bằng tốt nghiệp đại học loại ưu (hoàn thành chương trình học 4 năm trong 2 năm), anh được đề nghị chuyển tiếp làm nghiên cứu sinh trong lĩnh vực chuyên môn đó.

Nhưng rồi một bước ngoặt lớn đã đến với anh. Năm 1957 Nhà nước đã chọn cử anh lãnh đạo một nhóm gồm 3 thanh niên ưu tú sang cộng tác nghiên cứu ở Viện Liên hợp Nghiên cứu Hạt nhân (VLHNCHN) ở thành phố Đúp-na, phía Bắc Mascơva, một trung tâm khoa học hạt nhân thuộc loại nổi tiếng nhất trên thế giới thời bấy giờ.

Thực sự, anh đã rẽ qua con đường mới, trở thành một cộng tác viên khoa học của Phòng Thí nghiệm Năng lượng cao thuộc “Viện Đúp-na” nói trên, mặc dù anh chưa chuẩn bị đầy đủ hành trang để bước vào một lĩnh vực khoa học vật lý hiện đại đó. Vì thế, anh phải tự trang bị thêm cho mình những kiến thức cần thiết và cả ngoại ngữ mới - tiếng Nga, chủ yếu bằng con đường tự học, một việc mà không phải ai cũng có thể làm được dễ dàng.

Nhưng, chỉ sau một thời gian ngắn, với kiến thức tự trang bị, với khả năng sử dụng thành thạo 4 ngoại ngữ Anh, Pháp, Nga và Trung văn, GS Nguyễn Đinh Tứ đã nhanh chóng làm chủ các phương pháp thực nghiệm hiện đại, nắm bắt khá sâu sắc những kiến thức vật lý lý thuyết cần thiết và đi tiên phong trong sử dụng công cụ máy tính.

Cộng tác viên khoa học trẻ Nguyễn Đinh Tứ đã nhanh chóng vươn lên trở thành một trong những nhà nghiên cứu vật lý hạt cơ bản hàng đầu ở Phòng thí nghiệm Năng lượng cao của Viện Đúp-na. Anh đã sớm cùng các nhà khoa học đến từ các nước khác tiến hành nhiều nghiên cứu mới mẻ và phức tạp về vật lý hạt cơ bản.

Trong thời gian 5 năm (1958-1962), GS Nguyễn Đinh Tứ đã có những đóng góp xuất sắc vào những thành tựu nghiên cứu của tập thể khoa học quốc tế ở Đúp-na, nổi lên là một trong những tác giả chính của 50 công trình khoa học có giá trị được công bố. Trong đó, cụm công trình phát minh một hạt cơ bản mới gọi là “Phản hạt Hyperon Sigma âm” là một thành tựu nổi bật và GS Nguyễn Đinh Tứ là một trong những chủ nhân chủ chốt của phát minh đó.

Chính nhà khoa học Việt Nam trẻ tuổi này đã thay mặt tập thể khoa học gia quốc tế, trực tiếp báo cáo thành tựu khoa học mới ở Hội nghị khoa học quốc tế về Vật lý Năng lượng cao. Đánh giá vai trò của GS Nguyễn Đinh Tứ, Viện sĩ Giám đốc Baldin và Ban lãnh đạo của Phòng Thí nghiệm Năng lượng cao (JINR) đã viết trong một bản nhận xét chính thức: "Từ những năm 1958-1962 với sự tham gia tích cực của Nguyễn Đinh Tứ, Viện Nghiên cứu Dupna đã thu được những kết quả vật lý rất quan trọng”. Và: "Nguyễn Đinh Tứ đã đóng góp to lớn trong việc nghiên cứu quá trình sinh Hyperon nhiều bậc, phản hạt của Hyperon sigma âm".

Với công lao đóng góp cho khoa học đó, năm 1961, ngay sau khi công bố công trình, tác giả Nguyễn Đinh Tứ đã nhận được giải thưởng của Hội đồng Khoa học của Viện Liên hợp Nghiên cứu Nguyên tử Đúp-na. Sau đó, vào năm 1968 GS cùng với nhóm tác giả quốc tế ở Phòng Thí nghiệm Năng lượng cao được Chính phủ Liên Xô cấp bằng phát minh. Đến năm 2000, nhân kỷ niệm 55 thành lập nước Việt Nam Dân chủ Cộng hoà, nhà nước ta đã có quyết định truy tặng GS Nguyễn Đinh Tứ phần thưởng cao quý, giải thưởng Hồ Chí Minh về “Cụm Công trình phát hiện phản hạt Hyperon sigma âm và tương tác của các hạt cơ bản và hạt nhân ở năng lượng cao”.

Trở thành nhà khoa học nổi tiếng ở trong nước và trong cộng đồng vật lý hạt cơ bản trên thế giới, nhưng ấn tượng sâu sắc anh để lại trong bạn bè và đồng nghiệp vẫn là một con người giản di, gần gũi, chân thành và khiêm nhường. GS Vũ Đình Cự viết về GS Nguyễn Đinh Tứ: “(Đó là) một nhà khoa học tài năng, đồng thời rất khiêm tốn, đức độ”.

Trong cuộc đời của GS Nguyễn Đinh Tứ, niềm hứng thú và lòng đam mê khoa học không hề tách rời trách nhiệm đối với quê hương đất nước. Được giao nhiệm vụ, bất cứ ở cương vị nào, nhỏ hay lớn, anh bao giờ cũng cố gắng khắc phụ trở ngại khó khăn kể cả tình trạng sức khoẻ bản thân để hoàn thành với tinh thần trách nhiệm cao nhất. Một trong những nhiệm vụ lớn nhất mà anh được giao và gắn bó đến cuối đời là Xây dựng và phát triển Ngành Năng lượng Nguyên tử Việt Nam.

Tháng 7/1971, chia tay với những đề án thí nghiệm dở dang trên máy gia tốc hiện đại mới xây ở Secpukhôp, phía Nam Mascơva, GS Nguyễn Đinh Tứ trở về nước. Bấy giờ, dù phải bận rộn với những trọng trách ở ngành giáo dục đại học trong vị trí bộ trưởng, anh vẫn giành nhiều tâm lực cho việc xây dựng ngành năng lượng nguyên tử của đất nước đang trong thời kỳ trứng nước.

Tháng 4/ 1976, Chính phủ đã quyết định thành lập Viện Nghiên cứu Hạt nhân trực thuộc Uỷ ban Khoa học Kỹ thuật Nhà nước và sau đó, tháng 6 năm 1984 chuyển thành Viện Năng lượng Nguyên Tử Quốc gia, trực thuộc Chính phủ. Giáo sư được giao nhiệm vụ viện trưởng từ những ngày mới thành lập Viện. Năm 1994, khi viện đổi tên là Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, giáo sư vẫn là người lãnh đạo cao nhất của ngành trong cương vị Chủ tịch Hội đồng Viện Năng lượng Nguyên tử (một hội đồng lãnh đạo) cho đến khi qua đời.

Được giao trọng trách người đầu tàu xây dựng và phát triển ngành năng lượng nguyên tử Việt Nam, việc định ra phương hướng mục tiêu là điều có tầm quan trọng đặc biệt. Giáo sư Nguyễn Đinh Tứ có vai trò lớn trong việc định hướng ngành NLNTVN, nhắm tới mục tiêu sử dụng năng lượng nguyên tử vì hoà bình, chấm dứt ý định và việc làm nông cạn theo hướng sản xuất vũ khí trước đó. Chính đường lối ngoại giao hạt nhân cỡi mở và đúng đắn đó đã mở đường và tạo điều kiện cho nước ta tranh thủ hiệu quả sự hợp tác và giúp đỡ của IAEA và các nước khác trong công cuộc đào tạo nguồn nhân lực và ứng dụng năng lượng nguyên tử cho nhu cầu xây dựng và phát triển đất nước.

Dưới sự lãnh đạo của GS Nguyễn Đinh Tứ, Ngành NLNTVN trong gần 20 năm đầu tiên, đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Lò phản ứng Đà Lạt đã khôi phục và mở rộng. Công nghệ chiếu xạ được triển khai thí điểm ở Đà Lạt, Hà Nội và mở rộng trên quy mô sản xuất ở TP. Hồ Chí Minh. Các ứng dụng khoa học và kỹ thuật hạt nhân trong các lĩnh vực kinh tế quốc dân như Nông nghiệp, Y tế, Địa chất, Công nghiệp... đã được triển khai rộng. Viện KH  và KT Nông nghiệp VN những năm 70 và đầu thập kỷ 80 của thế kỷ XX, qua Chương trình VIE-002 đã “nhận được rất nhiều trang thiết bị hiện đại. Các thiết bị sử dụng đồng vị phóng xạ trong lĩnh vực nghiên cứu nông nghiệp, trong bảo quản nông sản v.v…”,

Về lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong Y tế, “GS Nguyễn Đinh Tứ không chỉ tạo điều kiện cho Y học Hạt nhân VN phát triển về trang bị kỹ thuật cũng như về hướng đi mà…còn chăm lo công tác giáo dục đào tạo cán bộ”, qua đó, “từ hai ba cơ sở ban đầu, ngày nay trên toàn quốc đã có hơn 20 cơ sở Y học hạt nhân với những trang thiết bị khá hiện đại”. 

Ngoài trách nhiệm lãnh đạo chung, GS còn tham gia tích cực vào công tác nghiên cứu khoa học trong cương vị chủ nhiệm các chương trình khoa học công nghệ cấp nhà nước. Đặc biệt, với sự quan tâm và chỉ đạo trong nhiều năm của giáo sư, các đề tài nghiên cứu RD về lò phản ứng, điện nguyên tử và nhiên liệu hạt nhân đã phát triển thành “Dự án nghiên cứu đưa điện nguyên tử vào Việt Nam” do Bộ Công nghiệp chủ trì, từ đó dẫn đến Dự án xây dựng Nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận 1 và 2 đang được triển khai.

GS Cao Chi, nguyên Trưởng phòng Điện nguyên tử đầu tiên ở Viện NLNTVN, tâm sự: “Như một người trong ngành nguyên tử, tôi xin được phép nói rằng, người đầu tiên nghĩ về điện nguyên tử một cách toàn diện và khoa học là anh Nguyễn Đinh Tứ” và khẳng định: Trong sự nghiệp điện Nguyên tử Việt Nam, “công đầu thuộc về anh Nguyễn Đinh Tứ”.