Từ tháng 7/2015 đến tháng 10/2018, ông là Đại sứ Đặc mệnh toàn quyền Việt Nam tại Nhật Bản. Trong giai đoạn ông làm Đại sứ, quan hệ Việt Nam Nhật Bản đã có bước phát triển mạnh với nhiều hoạt động tiếp xúc cấp cao, đặc biệt là chuyến thăm chính thức Việt Nam của Nhật hoàng Akihito và Hoàng hậu Michiko; quan hệ kinh tế thương mại có bước tiến mới: Nhật Bản giành lại vị trí là nhà đầu tư số 1 tại Việt Nam trong năm, với 9,11 tỷ USD, gấp 4 lần so với 2016, Thương mại hai chiều lần đầu tiên vượt con số 30 tỷ (gần 33,5 tỷ USD), tăng 11%… Đại sứ Nguyễn Quốc Cường là Đại sứ đầu tiên của Việt Nam đi thăm cả 47 tỉnh thành của Nhật Bản, được gọi bằng tên thân mật là Đại sứ xoài, thanh long vì các hoạt động quảng bá và xúc tiến tiêu thụ nông sản Việt tại đây.