คุณหญิง นงเยาว์ ชัยเสรี เริ่มรับราชการในตำแหน่ง เศรษฐกรโท สังกัดสำนักงานคณะกรรมการพัฒนาการเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ ต่อมาได้โอนมาสังกัดคณะพาณิชยศาสตร์และการบัญชี มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ตั้งแต่ พ.ศ. 2507 ในตำแหน่งอาจารย์ และได้รับการแต่งตั้งในตำแหน่งฝ่ายบริหารหลายตำแหน่ง อาทิ หัวหน้าภาควิชาการเงินและการธนาคาร คณบดีคณะพาณิชยศาสตร์ฯ อธิการบดีมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ และนายกสภามหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ หลังจากนั้นจึงลาออกเพื่อรับตำแหน่ง กรรมการตรวจเงินแผ่นดิน เมื่อปี พ.ศ. 2543

อธิการบดีมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์

คุณหญิง นงเยาว์ ชัยเสรี ได้รับแต่งตั้งให้รักษาราชการแทนอธิการบดีมหาวิทยาลัย 2 ครั้ง ในช่วงต่อเนื่องจากศาสตราจารย์ป๋วย อึ้งภากรณ์ เมื่อปี พ.ศ. 2519 และต่อเนื่องจากศาสตราจารย์ประภาศน์ อวยชัย ในปี พ.ศ. 2525 ต่อจากนั้นได้รับโปรดเกล้าฯ ให้ดำรงตำแหน่งดังกล่าว นับเป็นสตรีคนแรกที่ได้รับการโปรดเกล้าฯ ให้ดำรงตำแหน่ง อธิการบดีมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ ซึ่งในขณะที่ดำรงตำแหน่งอธิการบดี ได้ผลักดันให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในด้านต่างๆ ในมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ มีการจัดตั้งคณะใหม่ๆ เพิ่มขึ้น ได้แก่ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี คณะแพทยศาสตร์ คณะทันตแพทยศาสตร์ คณะสหเวชศาสตร์ และคณะพยาบาลศาสตร์ ตลอดจนยังเป็นผู้ที่ริเริ่มการขยายการเรียนการสอนไปยังศูนย์รังสิต จังหวัดปทุมธานี นอกจากนี้ยังเป็นผู้ก่อตั้งโรงพยาบาลธรรมศาสตร์เฉลิมพระเกียรติอีกด้วย[4]