Trong những năm tháng hoạt động mỹ thuật ở miền Bắc (1954 - 1975), ông đã có nhiều tác phẩm mới trưng bày tại nhiều triển lãm lớn: Nông dân kể khổ - sơn mài, Cấy ở Tây Bắc, Khu tự trị Việt Bắc - lụa, tranh cổ động Chị Vân tố cáo vụ Thảm sát Hướng Điền (Triển lãm Mỹ thuật toàn quốc năm 1955), Hữu nghị - sơn mài, Xô viết Nghệ Tĩnh (đồng tác giả) - sơn mài (1957), Nhà tranh gốc mít - sơn mài, Du kích Bắc Sơn - sơn mài (Triển lãm Mỹ thuật toàn quốc năm 1958), Buồm Cửa Hàn, lưới Cửa Hội, Mùa gặt ở Thanh Hóa, Nhà tranh gốc mít (Triển lãm Mỹ thuật toàn quốc 1960). Một số tác phẩm của ông đã được chọn tham dự triển lãm 12 nước Xã hội chủ nghĩa tại Liên Xô và Đông Âu (1960). Sau đó ông tiếp tục sáng tác nhiều tác phẩm khác như: Em bé đọc sách, Căm thù - sơn mài, Phong cảnh Chợ Chu (Cánh đồng Chợ Chu) - sơn dầu (1960), Bắc Nam thống nhất, Biển ở Vĩ tuyến 17 (1961)... Ông đã nhiều lần đi thực tế tại khắp nơi trên cả nước và Lào, tham gia Chiến dịch Tây Nguyên (tháng 3/1975) và Chiến dịch Hồ Chí Minh (tháng 4/1975). Với những tư liệu ký họa thời kỳ kháng chiến chống Pháp và qua các chuyến đi thực tế, họa sĩ Nguyễn Văn Tỵ đã sáng tác nhiều tác phẩm sơn mài, lụa, tranh khắc: Mùa lúa chín - lụa, Du kích mũ nan - khắc gỗ (Huy chương Bạc triển lãm quốc tế đồ họa Leipzig 1965), Hai đội quân gặp nhau - sơn mài (1968), Du kích Cửa Tùng, Địa đạo Vịnh Mốc, Bên bờ Nhật Lệ (1969), Ra đảo (1971), Đêm Noel Hà Nội 1972 (1973)...