Năm 1956, đồng chí được cử sang Liên Xô để học phi công chiến đấu. Đoàn học viên gồm 60 người, trong đó có Phạm Ngọc Lan, Trần Hanh, Lâm Văn Lích, Nguyễn Nhật Chiêu... sau này là những anh hùng phi công nổi tiếng. Ở đây, đồng chí Nguyễn Nhật Chiêu cùng đồng đội được huấn luyện rất cơ bản, với các bài bay trong đội hình lớn, phức tạp bằng 4 loại máy bay là Yak-11, Yak-18, MiG-15 và MiG-17.
Tháng 6 năm 1965, trong trận đầu tiên, đồng chí Nguyễn Nhật Chiêu bị bắn rơi. Đồng chí bật dù kịp thời nhưng vẫn bị thương và mất 3 ngày để về được đơn vị.Từ tháng 9 năm 1965 đến tháng 12 năm 1967, Nguyễn Nhật Chiêu xuất kích 13 lần, lần nào đồng chí cũng bình tĩnh, dũng cảm, mưu trí, kiên quyết tiến công quân địch, hoàn thành tốt nhiệm vụ. Nguyễn Nhật Chiêu đã bắn rơi 6 máy bay Mỹ, chỉ huy biên đội bắn rơi 8 chiếc khác.Ngày 20 tháng 9 năm 1965, trên vùng trời Hà Bắc, đồng chí lái chiếc MiG-17 xông thẳng vào đội hình 5 máy bay địch, bắn rơi tại chỗ 1 chiếc F105. Khi về đến gần sân bay thì máy bay hết dầu, Nguyễn Nhật Chiêu bình tĩnh điều khiển máy bay hạ cánh an toàn.Ngày 23 tháng 8 năm 1967, 36 máy bay Mỹ từ nhiều hướng, nhiều tầng vào đánh phá Hà Nội. Chúng bay đội hình dài, yểm trợ cho nhau khá chặt chẽ. Đồng chí cùng biên đội nhanh chóng cho máy bay tăng tốc độ và độ cao, xông thẳng vào đội hình máy bay địch, Nguyễn Nhật Chiêu bắn 1 quả tên lửa hạ 1 chiếc và yểm hộ cho biên đội hạ 1 chiếc khác. Số máy bay địch còn lại rối loạn đội hình bỏ chạy. Đồng chí nhanh chóng cơ động bám sát địch, bắn 1 quả tên lửa, hạ thêm 1 chiếc nữa.Ngày 29 tháng 10 năm 1967, ở vùng trời Hưng Yên, 4 máy bay địch tập trung bao vây máy bay của Nguyễn Nhật Chiêu, ở thế bất lợi, đồng chí vẫn bình tĩnh, mưu trí, nhanh chóng chuyển từ thế bị động sang chủ động tiến công địch, bắn 1 quả tên lửa diệt 1 F4, 3 chiếc còn lại hốt hoảng bỏ chạy.Năm 1972, Nguyễn Nhật Chiêu làm trung đoàn phó, trực tiếp chỉ huy đơn vị chiến đấu 10 trận đều tốt. Đồng chí hạ quyết tâm chính xác, kịp thời, xử trí các tình huống linh hoạt, tạo thuận lợi cho đơn vị bắn rơi 6 máy bay Mỹ.Đồng chí Nguyễn Nhật Chiêu chịu khó đi sâu nghiên cứu kỹ thuật, chiến thuật và đã lái thành thạo 2 loại máy bay MiG-17 và MiG-21; tich cực dìu dắt các đồng chí mới nhanh chóng nắm vững kỹ thuật.Đồng chí đã được tặng thưởng 1 Huân chương Quân công hạng ba, 1 Huân chương Chiến công hạng nhì, 1 Huân chương Chiến công hạng ba.Ngày 31 tháng 12 năm 1973, đồng chí Nguyễn Nhật Chiêu được Chủ tịch nước Việt Nam dân chủ cộng hòa tặng danh hiệu Anh hùng lực lượng vũ trang nhân dân.Tháng 5/1975, trên cương vị là Phó Sư đoàn trưởng Sư đoàn 371, đồng chí Nguyễn Nhật Chiêu đã chỉ huy đơn vị vào tiếp quản sân bay Biên Hòa, sân bay Tân Sơn Nhất và sân bay Cần Thơ.Từ năm 1982 đến năm 1989, đồng chí giữ chức vụ Sư đoàn trưởng Sư đoàn 371 rồi Phó Tham trưởng Quân chủng Phòng không - Không quan.Từ năm 1989 đến năm 1992, đồng chí Nguyễn Nhật Chiêu công tác tại Cục Thanh tra Không quân, Bộ Tổng Tham mưu. Năm 1992, đồng chí nghỉ hưu với quân hàm Đại tá.
