Rozwijając wcześniejszą konstrukcję Ashera Peresa, przedstawił dowód określany jako „magiczny kwadrat” (Mermina–Peresa) – układ obserwabli, którego nie da się opisać żadnym przypisaniem wartości niezależnym od kontekstu pomiaru, co stanowi kolejny przykład niezgodności mechaniki kwantowej ze zmiennymi ukrytymi. Richard Feynman określił inną pracę Mermina z tej dziedziny jako „jedną z najpiękniejszych prac w fizyce”. We współpracy z Charlesem Bennettem i wniósł istotny wczesny wkład w kryptografię kwantową. Od 2012 propaguje interpretację mechaniki kwantowej znaną jako kwantowy bayesianizm, czyli QBism, traktującą funkcję falową jako opis wiedzy obserwatora, a nie obiektywnego stanu układu.
W 2003 czasopismo opublikowało bibliografię prac Mermina, obejmującą trzy książki, 125 artykułów naukowych, 18 artykułów dydaktycznych, 21 artykułów popularnych, 34 recenzje książek oraz 24 artykuły z cyklu „Reference Frame” z czasopisma Physics Today.
W 1970 Mermin został wybrany na członka () American Physical Society, a w 1991 na członka National Academy of Sciences.