Các bản điều trần của Nguyễn Trường Tộ đã nói lên rất rõ tấm lòng yêu nước thiết tha của ông. Ông tin tưởng vào triển vọng canh tân của Nhật Bản, đặt hết hy vọng vào thế hệ trẻ được đào tạo bằng thực nghiệp có thể làm mạnh thế nước... Tuy chưa có ý thức thay thế thể chế phong kiến bằng một thể chế dân chủ, bởi tình thế đất nước chưa có phép làm điều đó, nhưng tư tưởng của ông đã tiến rất gần các nhà tư tưởng tiến hóa luận của phương Tây. Có thể nói, ông đã gợi ra cho người lãnh đạo đất nước những cách nghĩ, cách nhìn cởi mở và táo bạo mà hàng thế kỷ về sau vẫn đáng để suy gẫm. Tóm lại, ông quả là một con người có trí thông minh, nhìn xa thấy rộng, có khả năng ứng dụng vào thực tế vốn liếng tri thức uyên bác cũng như những điều mình sở đắc. Tiếc thay, ông lại "sinh không gặp thời", do đó ông đã không thực sự đóng một vai trò nào trong lịch sử, ngoài vai trò "làm chứng về tấm lòng của một con người, về vận hội của một đất nước".
Về đóng góp cho văn học Việt, ông đã để lại một lối văn mang phong cách "chính luận - trữ tình": vừa phải đảm bảo sự chặt chẽ, sắt bén, khúc chiết trong phân tích (chịu ảnh hưởng khá rõ tư duy lôgic phương Tây); nhưng cũng vừa thấm đẫm cảm hứng trữ tình của tác giả (vì ông phơi trải hết lòng mình), nên có sức thuyết rất mạnh. Ngoài ra, ông còn để lại một số di cảo thơ. Nhìn chung thơ ông mang phong cách trữ tình khoáng đạt, và có thể chia thành hai mảng: những bài "tức cảnh, sinh tình" và những bài "Ngôn chí, tự tình"...[37]
Về chính trị:
Ông trình bày những chiến lược cơ bản, về những thế lớn phân và hợp trong thiên hạ ("Thiên hạ phân hợp đại thế luận", 1863) và đề xuất "Kế ly gián giữa Anh và Pháp" (1866). Không hề ảo tưởng về dã tâm của thực dân Pháp, nhưng ông rất sáng suốt chủ trương tạm hòa hoãn với Pháp, gợi ý với nhà vua về lợi ích lớn của việc "Mở rộng quan hệ với Pháp và các nước khác" (1871)...
Về nội chính:
Ông đề nghị triều đình tinh giản bộ máy chính quyền để đỡ hao tốn công quỹ, xác định rõ chức năng công việc của từng loại quan lại để khỏi phải có rất nhiều người ăn lương mà không biết làm gì. Mặt khác, nên có chính sách đối với những nho sinh để họ không thể dựa vào chút chữ nghĩa, trốn tránh nghĩa vụ đối với nước nhà. Ngoài ra, muốn cho đội ngũ viên chức giữ được thanh liêm thì phải tạo điều kiện cho họ làm giàu chính đáng...
Về tài chính:
Ông đề nghị sắp đặt lại hệ thống thuế khóa cho thật công bằng hợp lý. Muốn thế phải đo đạc lại ruộng đất, kê khai nhân khẩu, tăng thuế người giàu và hàng xa xỉ ngoại nhập, đánh thuế thật nặng vào những tệ nạn như cờ bạc, rượu chè,...Ngoài ra, còn phải khuyến khích nhà giàu bỏ tiền ra cho vay, và vay tiền của nước ngoài...
Về kinh tế:
Ông đề nghị chấn hưng "nông, công, thương nghiệp" để làm cho dân giàu nước thịnh, bằng những hành động cụ thể như: tổ chức khai hoang, bảo vệ rừng, thành lập các đoàn tàu đem hàng nông sản đi bán, cử người thăm dò tài nguyên, khai thác mỏ, thành lập các cơ sở sản xuất công nghệ và đào tạo thợ kỹ thuật…Và để nền kinh tế cả nước có thể giao thông dễ dàng, thì phải chú ý đến việc làm mới và tu bổ đường bộ và đường thủy....
Về học thuật:
Ông đề nghị cải cách "việc học, việc thi" để chọn được nhân tài hữu ích. Không nên tiếp tục lối học "máy móc, tín điều" kiểu Trung Hoa. Đáng chú ý là việc ông đề nghị đem các môn khoa học vào trong chương trình học, nhất quyết phải dùng quốc văn (chữ Nôm) để dạy học và soạn sách, kể cả trong các giấy tờ hành chính...
Về ngoại giao:
Ông chủ trương quan hệ mềm mỏng với Pháp, và không chỉ có Pháp mà còn phải đặt ngoại giao với nhiều nước khác như Anh, Tây Ban Nha... Phải biết lợi dụng mâu thuẫn giữa các nước này để có lợi cho mình. Phải đào tạo được các thông dịch viên giỏi công việc và tiếng nước ngoài...
Về võ bị:
Ông đề nghị cải tu võ bị nhằm tăng chất lượng của quân đội, như tổ chức lại đội ngũ, cho quân lính được học tập các binh pháp mới, mua sắm tàu thuyền và vũ khí, xây dựng phòng tuyến cả ở thành thị lẫn nông thôn, đề phòng quân Pháp xâm lược lan ra cả nước...
Bên cạnh đó, ông còn đề nghị cải cách về các mặt khác như văn hóa, tôn giáo, bảo tồn di tích lịch sử, v.v...Tuy nhiên, phần lớn những đề nghị của ông đã không được triều đình nhà Nguyễn nghe theo do tầm nhìn hạn hẹp của họ và hạn chế của thời đại.