Năm 1957 , sau khi tốt nghiệp trường ĐH Y Hà Nội, Nguyễn Văn Thọ được Cục Quân y phân công công tác tại Viện Quân y 5 (trước có tên là Viện 104). Tại đây, ông được cử làm Chủ nhiệm khoa Ngoại và cùng các đồng nghiệp xây dựng khoa, cứu chữa nhiều thương bệnh binh. Là một bác sĩ ngoại khoa, ông Nguyễn Văn Thọ luôn tâm niệm phải cẩn trọng trong phẫu thuật, vì công việc này liên quan đến tính mạng người bệnh. Trong điều trị, ông thường lấy ý kiến dân chủ của đồng nghiệp để đưa ra phương án chữa bệnh tối ưu nhất, đạt kết quả tốt nhất. Trong hai năm công tác tại Viện Quân y 5 (1957-1959), BS Nguyễn Văn Thọ đã tổng kết được rằng: Bản thân tôi đã mổ xẻ gần 400 bệnh nhân gồm các loại bệnh nặng, nhẹ, tôi chưa hề làm một việc gì làm thiệt hại đến tính mạng. Đặc biệt, BS Nguyễn Văn Thọ đã góp phần cứu chữa một bệnh nhân bị bỏng nặng 96,5% cơ thể.
Với những đóng góp trong công tác, BS Nguyễn Văn Thọ đã nhận được 3 giấy khen: Giấy khen của Ban chỉ huy Viện Quân y 5 trao tặng trong dịp tổng kết năm 1957; Giấy khen của Chính ủy phòng Hậu cần Quân khu Hữu ngạn trao tặng vào cuối năm 1958; Giấy khen của Cục Quân y trao tặng năm 1959.
