Bác sĩ Nguyễn Thanh Liêm là người đầu tiên thực hiện phẫu thuật nội soi trẻ em tại Việt Nam và khu vực. Ông đã đóng góp 9 kĩ thuật mổ nội soi nhi khoa hoàn toàn mới cho phẫu thuật nội soi nhi khoa quốc tế trong các lĩnh vực phẫu thuật tiết niệu, tiêu hóa và lồng ngực. Giáo sư Nguyễn Thanh Liêm là chuyên gia hàng đầu thế giới trong lĩnh vực phẫu thuật nội soi nang ống mật chủ (thực hiện gần 600 trường hợp) và bệnh thoát vị cơ hoành bẩm sinh( thực hiện hơn 300 trường hợp). Ông cũng là một trong các chuyên gia hàng đầu của thế giới về phẫu thuật dị tật không có hậu môn và bệnh phình đại tràng bẩm sinh. Ông đã được mời đi giảng bài và phẫu thuật trình diễn tại nhiều nước trên thế giới : Mỹ, Pháp, Italia, Nhật Bản, Hàn Quốc, Úc, Ấn Độ, Nga, Malaysia, Philipine, Indonesia, Thái Lan, Đài Loan. Nhiều giáo sư, bác sỹ từ châu Á, châu Âu, Hoa Kì đã đến Việt Nam học tập phẫu thuật nội soi với giáo sư Nguyễn Thanh Liêm.

Ông là người đã tiến hành nhiều ca ghép gan và ghép thận ở trẻ em. Hiện ông đang cùng các đồng nghiệp nghiên cứu ghép tế bào gốc điều trị bại não, tự kỉ, xơ gan ở trẻ em và người lớn. Ông là tác giả của hơn 200 công trình nghiên cứu khoa học y học xuất bản trong và ngoài nước. Ông đã được mời viết chương u nang ống mật chủ cho sách giáo khoa của Anh và của Mỹ. Ông là tác giả của 4 đầu sách xuất bản tại Việt Nam. Ông là chủ nhiệm 4 đề tài nghiên cứu cấp nhà nước và chủ nhiệm nhiều đề tài nghiên cứu cấp bộ.

Ông là thành viên Hiệp hội Ngoại Nhi Thái Bình Dương (PAPS), Hội điều trị các bệnh lỗ tiểu lệch thấp và rối loạn lưỡng tính quốc tế, hội viên danh dự Hiệp hội Ngoại Nhi Philippine, hội viên danh dự hội phẫu thuật Nhi Liên bang Nga, thành viên Hội đồng Chính sách Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NCSTP). Ông vinh dự là đại diện của Việt Nam trong Hệ thống Phẫu thuật Nhi khoa Toàn cầu. Giáo sư, tiến sĩ Nguyễn Thanh Liêm chuyên khám và điều trị các bệnh chuyên khoa nhi đặc biệt là các dị tật bẩm sinh của hệ tiết niệu, tiêu hóa, lồng ngực, rối loạn đại tiểu tiện, luồng trào ngược dạ dày thực quản.