Emyr Roberts sade att EU:s inverkan hade varit "mycket positiv" men att det fanns en "potential att göra ännu bättre ifrån sig".
I en omfattande BBC Wales intervju försvarade han också sitt ledarskap för miljövakthunden, som har ställts inför en massa svåra rubriker.
Han kommer att gå i pension i oktober efter nästan fem år.
När det gäller miljölagstiftningen har EU samlat mer av den än någon annanstans i världen.
I många fall ansvarar NRW:s personal för att övervaka om Wales uppfyller europeiska standarder.
Dessa skyldigheter kommer att ändras efter det att Brexit som walesisk eller brittisk standard utvecklas, med potentiellt mer ansvar på tillsynsmyndigheten, förutspådde Dr Roberts.
Han sade att EU:s stränga miljöbestämmelser hade lett till "betydande förbättringar", som betonade badvattnets kvalitet och minskade industriutsläpp.
"För det första är det mycket viktigt att vi behåller de nuvarande standarderna efter Brexit - de har varit framgångsrika", säger Dr Roberts.
"Men att gå vidare finns det potential att göra ännu bättre - och i synnerhet om vi kan sammanföra jordbruks- och miljöpolitiken.
"Jag tror att vi kan ta med walesiska lösningar till bordet där vi tidigare har varit ganska begränsade."
Han sade också att han trodde att allmänheten i allmänhet "undervärderar miljön och de fördelar den kan medföra".
Dr Roberts har varit verkställande direktör för NRW sedan bildandet 2013 då tre tidigare quangos - miljöbyrån, Countryside Council for Wales och Forestry Commission Wales - slogs samman.
Det är den största statliga-sponsrade organet i Wales, med 1.900 anställda i hela landet.
Målet var att hantera miljön på ett mer sammanhållet sätt samtidigt som man höll avstånd från den walesiska regeringen.
Men ett år i, vilda presentatör och naturforskare Iolo Williams stämplade det som en "katastrof för bevarande", med NRWs självständighet ifrågasätts över stöd för en motor racingbana nära Ebbw Vale.
Det blev uppenbart att sammanslagningen av olika organisationer visade sig vara en enorm utmaning. Läckta personalundersökningar kom i fokus och påståenden om moraliska problem gjordes.
Senast en rad om en 39 miljoner pund träaffär som inte lades ut på anbud föranledde kritik från Auditor General for Wales och en undersökning av församlingens kommitté för offentliga räkenskaper.
Träindustrin klagade över "en mycket oroande förlust av skogsexpertis" inom organisationen, medan fiske- och flodgrupper också attackerade NRW och brännmärkte den "inte längre lämplig för ändamål".
I maj meddelade Dr Roberts att han skulle gå i pension och sade att det var dags att "passera tyglarna till någon annan".
Doktor Roberts frågade om den regelbundna kritiken och sade att han kände att den återspeglade den passion som människor kände för den walesiska miljön.
"Det enda jag har lärt mig i det här jobbet är att du inte kan behaga alla när som helst", sade han.
"Men många av dessa kommentarer kommer från en viss vinkel - vare sig det är fiske eller bevarande.  Vårt jobb är att ansluta oss till allt detta och göra de bästa lösningarna.
"Ibland måste man kompromissa.  Vi måste ta saker i omgången, basera det på bevis och komma till rätt beslut för miljön och samhället i stort.
Men dr Roberts erkände att den skada som NRW:s rykte utsatts för genom den ständiga kritiken hade fått sin tribut på personalens moral.
Han sade att 2016 års personalundersökning, som visade att mindre än hälften av de anställda kände sig värderade och bara 11% hade förtroende för högre chefer att göra rätt samtal, hade varit "mycket, mycket användbar".
"Vi hade en mycket tydlig bild av vad personalen ville - de ville vara mer involverade i de beslut som fattas runt omkring dem, de ville kommuniceras med bättre, de ville värderas mer," sade han.
"Och sedan dess har vi arbetat mycket hårt för att bygga upp det - så vi börjar vända på det."
I vad som skulle kunna tolkas som en varning till walesiska regeringsministrar föreslog dr Roberts att de tjänster som NRW tillhandahåller skulle bli lidande om det ombads göra ytterligare besparingar.
Budgeten har minskats med 15 procent i reala termer under de senaste fyra åren.
Under samma period har NRW fått ytterligare lagstadgade skyldigheter till följd av nya lagar som miljölagen.
"Jag tror att vi har kunnat hantera situationen väl, men jag tror att det kommer en punkt där du inte kan skära längre utan att påverka dessa tjänster."
Diane McCrea, NRW:s ordförande, har tackat dr Roberts för hans "hungriga engagemang och hårda arbete med att leda Natural Resources Wales".
Miljöminister Lesley Griffiths tillade: "Att föra samman tre organisationer och skapa ett effektivt regulator- och leveransorgan har inte varit någon dålig bedrift."
Brexit erbjuder en möjlighet att förbättra Wales miljö, enligt den avgående chefen för Natural Resources Wales.