Tháng 6-2016, Nguyễn Đình Thịnh được cấp trên bổ nhiệm Thuyền trưởng Tàu 376, Lữ đoàn 162. Chủ động học tập, nghiên cứu chỉ trong một thời gian ngắn, Thịnh đã làm chủ hệ thống VKTBKT trên tàu, nâng cao trình độ, năng lực chỉ huy, tổ chức thực hiện nhiệm vụ...

Trong cuộc sống đời thường Thịnh luôn hòa đồng, gần gũi với đồng chí, đồng đội, chủ động nắm bắt tâm tư, tình cảm cũng như năng lực, trình độ của từng quân nhân trên tàu. Những khâu yếu, mặt yếu của từng cá nhân, tập thể được anh góp ý trên tinh thần xây dựng. Nhờ vậy, chẳng bao lâu những vấn đề đó nhanh chóng được khắc phục, hoàn thiện. Khi tổ chức thực hiện nhiệm vụ, anh thường xuyên bàn bạc, trao đổi cùng Ban chỉ huy tàu để tìm biện pháp giải quyết hiệu quả. Khi triển khai các nhiệm vụ mới, phần việc khó, bên cạnh việc xin ý kiến chỉ đạo của cấp trên, Thịnh cùng Ban chỉ huy tàu luôn phát huy tính chủ động để nghiên cứu, dự kiến các tình huống và cách xử trí để không bị động, bất ngờ.

Là một tập thể đoàn kết thống nhất cao, 6 năm liên tục (2013-2018) Tàu 376 luôn hoàn thành tốt và xuất sắc mọi nhiệm vụ được giao; được tặng thưởng danh hiệu Đơn vị Quyết thắng, được Bộ trưởng Bộ Quốc phòng tặng Bằng khen. Đại úy Nguyễn Đình Thịnh hai năm liên tục (2017-2018) đạt danh hiệu Chiến sĩ thi đua cấp cơ sở; đạt giải Nhất trong Hội thi cán bộ tàu giỏi cấp Vùng (năm 2018).