Một trong những công trình đáng chú ý nhất của Nguyễn Khuê là tác phẩm Nguyễn Bỉnh Khiêm qua Bạch Vân am thi tập vốn là luận án tiến sĩ được hoàn thành năm 1975 và chính thức xuất bản năm 1991. Danh nhân Nguyễn Bỉnh Khiêm là nhà tư tưởng, nhà thơ lớn nhất nước ta thế kỷ XVI, có nhiều trước tác ảnh hưởng lớn trong lịch sử văn học và văn hóa dân tộc, nhưng lại ít có công trình nghiên cứu chuyên biệt về ông từ thập niên 1990 trở về trước. Nguyễn Khuê đã đào sâu nghiên cứu, phiên dịch 100 bài thơ chữ Hán còn nguyên bản, giới thiệu đầy đủ thân thế và sự nghiệp của Trạng Trình, đặc biệt là tình cảm, tư tưởng, giá trị nội dung và nghệ thuật của Bạch Vân am thi tập.