Năm 1960, tại Đại hội toàn quốc lần thứ III của Đảng, đồng chí lại được bầu
vào Ban Chấp hành Trung ương Đảng, được Ban Chấp hành Trung ương bầu vào Bộ
Chính trị và giữ chức Phó Thủ tướng
kiêm Chủ nhiệm Ủy ban Kế hoạch Nhà
nước, ủy viên Hội đồng quốc phòng, năm
1962 kiêm Chủ nhiệm Ủy ban Khoa học
Nhà nước. Năm 1965 được phân công giữ
chức Phó Thủ tướng kiêm Bộ trưởng Bộ
Ngoại giao.
Sau khi đất nước thống nhất, Thủ
tướng Phạm Văn Đồng và Bộ trưởng Bộ
Ngoại giao Nguyễn Duy Trinh đề nghị Bộ
Chính trị mở rộng quan hệ láng giềng với
các nước trong khu vực. Tháng 12/1976,
Đại hội Đảng lần thứ IV tiếp tục bầu ông
Nguyễn Duy Trinh vào Ban Chấp hành
Trung ương Đảng và bầu vào Bộ Chính
trị, vào Ban Bí thư Trung ương, tiếp tục
giữ chức Phó Thủ tướng kiêm Bộ trưởng
Bộ Ngoại giao cho đến năm 1980.
Năm 1982, tại Đại hội toàn quốc
lần thứ V của Đảng, đồng chí được bầu
vào Ban Chấp hành Trung ương Đảng,
được phân công Thường trực Ban Nghiên cứu chiến lược kinh tế - xã hội của Trung
ương Đảng và Chính phủ.
Đồng chí là đại biểu Quốc hội nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa từ khóa I đến
khóa V và tiếp đó là đại biểu Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
khóa VI, khóa VII.
Trên cương vị là Bộ trưởng Bộ Ngoại giao trong thời kỳ chiến tranh chống Mỹ
ác liệt nhất, đồng chí đã thể hiện quyết tâm của quân dân ta trong đấu tranh và thử
thách. Xử trí linh hoạt trong mọi điều kiện và tình huống ngoại giao “Dĩ bất biến, ứng
vạn biến:, kiên trì “một tấc không đi, một ly không rời”. Trong đấu tranh và tiếp xúc
ngoại giao, ông thường điềm đạm lắng nghe rồi mới bình tĩnh, thận trọng trả lời. Ông
có trí nhớ tuyệt vời, phát biểu đúng từng câu chữ trong lập trường chính thống. (trong
nhà tù thực dân Pháp ông đã vận dụng trí nhớ tốt của mình để học tiếng Pháp bằng từ
điển. Phía Mỹ luôn theo dõi sát từng câu, từng chữ, cố tìm điều mới mẻ trong những
tuyên bố mạnh mẽ) trong những tuyên bố lập trường kiên định của ông qua từng giai
đoạn đấu tranh ngoại giao.
Sau khi Mỹ thất bại nặng nề phải xuống thang chiến tranh, ta đồng ý họp Hội
nghị Paris. Khi Hiệp định Paris về Việt Nam đã được ký tắt, đồng chí sang Paris để ký
chính thức và dự Hội nghị quốc tế về Định ước chấm dứt chiến tranh và lập lại hòa
bình ở Việt Nam và thay mặt Chính phủ ta ký vào Định ước này. Những năm sau đó,
đồng chí dẫn đầu đoàn đại biểu Việt Nam đi dự các khóa họp của Đại hội đồng Liên
hợp quốc và Hội nghị Không liên kết, mở đầu cho việc phát triển ngoại giao đa
phương.
Trong nhiệm kỳ 1965-1980, đồng chí Nguyễn Duy Trinh đã tỏ rõ là một nhà
ngoại giao xuất sắc của Nhà nước Việt Nam hiện đại, góp phần cùng các nhà ngoại
giao xuất sắc khác xây dựng nên tư tưởng ngoại giao Hồ Chí Minh. Bộ trưởng Nguyễn