GS Quyên được giới khoa học chú ý nhờ những đóng góp xuất sắc trong hướng nghiên cứu khoa học vật liệu và các ứng dụng trong y sinh. Hướng nghiên cứu của bà xoay quanh tính chất điện tử của polyelectrolytes liên hợp, giao diện trong các thiết bị quang điện tử, việc tạo và vận chuyển điện tích trong chất bán dẫn hữu cơ, vật liệu mới cho các ứng dụng pin mặt trời hữu cơ, tự lắp ráp phân tử, xử lý vật liệu, đặc tính kích thước nano của pin mặt trời hữu cơ và vật lý thiết bị. Những năm gần đây, nhóm của GS Quyên hướng tới công trình nghiên cứu có tính ứng dụng thực tiễn cao, trong đó làm về phân tử hữu cơ mặt trời. Một số công trình khác như cảm biến sinh học, được ứng dụng để "giao tiếp" giữa các hệ thống điện tử hữu cơ và sinh học nhằm ứng dụng trong y tế.
Trong sự nghiệp khoa học, bà từng nhận nhiều giải thưởng lớn như Harold Plous Award (2007); Giải thưởng Học giả - Giáo viên Camille Dreyfus (2008), giải Nghiên cứu viên của Quỹ học bổng nghiên cứu danh tiếng Alfred Sloan năm (2009), giải thưởng Nghiên cứu viên Đổi mới và Năng lực cạnh tranh Mỹ của Quỹ Khoa học Quốc gia 2010, Giải thưởng Nghiên cứu Cao cấp Alexander von Humboldt năm 2015. Đặc biệt, bà được bình chọn là trong danh sách các trí tuệ khoa học có ảnh hưởng nhất thế giới năm 2015, 2016, 2017 và 2018.
Ngày 7/2/2023, GS Nguyễn Thục Quyên là một trong 124 thành viên (bao gồm 106 nhà khoa học người Mỹ và 18 nhà khoa học quốc tế), nâng tổng số viện sĩ của cơ quan Viện Hàn lâm Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ lên 2.420 người Mỹ và 319 người nước ngoài. Bà là người Việt đang giảng dạy tại Khoa Hóa và Hóa sinh tại Đại học California, Santa Barbara (UCSB), Mỹ. Bà cũng đảm nhiệm vai trò là đồng Chủ tịch Hội đồng sơ khảo giải thưởng VinFuture.
