Chương trình học tại Trường THPT chuyên Nguyễn Quang Diêu được triển khai theo mô hình trung học phổ thông chuyên, bao gồm chương trình giáo dục phổ thông cho các khối lớp 10, 11, 12 và nội dung học tập chuyên sâu theo từng môn chuyên. Học sinh muốn vào trường cần tham gia kỳ thi tuyển sinh lớp 10 chuyên theo quy định của ngành giáo dục địa phương. Ngoài các môn thi bắt buộc như Ngữ văn, Toán, Tiếng Anh, học sinh dự tuyển vào lớp chuyên còn phải làm bài thi môn chuyên tương ứng với nguyện vọng. Cách tuyển chọn này giúp nhà trường xây dựng được đầu vào có chất lượng, phù hợp với định hướng đào tạo học sinh năng khiếu.
Bên cạnh chương trình học chính khóa, nhà trường chú trọng các hoạt động bồi dưỡng học sinh giỏi, rèn luyện kỹ năng tự học, nghiên cứu và tham gia phong trào học thuật. Các chuyên đề, tham luận, hoạt động chuyên môn được đăng tải trên website trường cho thấy giáo viên có sự quan tâm đến đổi mới dạy học, nâng cao chất lượng giảng dạy và phát triển năng lực học sinh. Với học sinh trường chuyên, việc học không chỉ dừng lại ở mục tiêu hoàn thành chương trình THPT mà còn hướng đến khả năng tư duy độc lập, giải quyết vấn đề, chuẩn bị nền tảng cho các kỳ thi quan trọng và định hướng học tập lâu dài sau bậc phổ thông.
Phương pháp dạy học của Trường THPT chuyên Nguyễn Quang Diêu có thể nhìn nhận qua định hướng kết hợp giữa giảng dạy kiến thức nền tảng, đào sâu kiến thức chuyên môn và tăng cường hoạt động trải nghiệm. Trong các môn học, giáo viên không chỉ truyền đạt nội dung sách giáo khoa mà còn tổ chức bồi dưỡng nâng cao, hướng dẫn học sinh tiếp cận vấn đề theo chiều sâu, đặc biệt với các đội tuyển học sinh giỏi. Những hoạt động thực nghiệm và tham quan mô hình ứng dụng cũng góp phần tạo môi trường học tập sinh động hơn, giúp học sinh hiểu mối liên hệ giữa kiến thức nhà trường và thực tiễn đời sống.