Thập niên 80 Bộ Quốc phòng Việt Nam được một hệ thống cố vấn quân sự từ Liên Xô sang hỗ trợ. Từ vị trí Bộ trưởng Bộ Quốc phòng cho đến các Quân đoàn, trong đó có Quân đoàn 1 đều có cố vấn quân sự của Liên Xô hỗ trợ. Lúc ấy Nguyễn Huy Hiệu đang là Sư trưởng Sư đoàn 390. Còn Sư đoàn 308 quân tiên phong là Sư đoàn bộ binh cơ giới đầu tiên (thuộc Quân đoàn 1) của Quân đội nhân dân Việt Nam và cũng là trong lịch sử Việt Nam. Tướng Hiệu còn nhớ, rằng khi ấy, có một vị Đại tướng của Liên Xô là cố vấn cho Đại tướng - Bộ trưởng Bộ Quốc phòng Văn Tiến Dũng. Ông này từng bị thương trong chiến tranh nên đi tập tễnh. Đó là một vị tướng dày dạn chiến chinh bậc nhất. Và có một vị Thiếu tướng của Liên Xô cũng làm cố vấn cho Tư Lệnh Quân đoàn 1, Sư đoàn 308.

Trong quá trình làm cố vấn quân sự cho phía Việt Nam, phía Liên Xô đã truyền đạt nhiều kinh nghiệm quân sự, ứng với thực tế linh hoạt phù hợp với điều kiện Việt Nam. Và cũng thời gian này, Bộ Quốc phòng hai nước ký một Hiệp định về trao đổi các đoàn công tác, học tập. Theo đó, phía Việt Nam được cử các đoàn sang Liên Xô học tập quân sự. Đại tướng - Bộ trưởng Bộ Quốc phòng Văn Tiến Dũng và Đại tướng Lê Trọng Tấn - Tổng Tham mưu trưởng Quân đội đã quyết định cử một đoàn học viên đầu tiên sang Liên Xô học tập, trao đổi kinh nghiệm tại Học viện quân sự Frunze. Mục đích chính được đặt ra cho đoàn học viên là học về vấn đề tham mưu. Trường Frunze thuộc Bộ Tổng tham mưu Liên Xô là Học viện chuyên đào tạo tướng lĩnh Liên Xô về tham mưu.

Năm 1983, Nguyễn Huy Hiệu khi đó đang là Đại tá – Sư đoàn trưởng Sư đoàn 390 thuộc Quân đoàn 1. Ông được chỉ định làm lớp trưởng và Bí thư Chi bộ Đảng của lớp học. Đoàn đầu tiên sang học trường quân sự Frunze gồm bốn đồng chí: Đại tá Nguyễn Huy Hiệu, Đại tá Nguyễn Phúc Thạnh, Đại tá Lê Quang Bình, Đại tá Nguyễn Văn Mến. Cả bốn đồng chí đều đã là Sư trưởng, được cử sang Liên Xô học tập gần một năm tại Học viện quân sự Frunze. Đây được coi là khóa học thực nghiệm đầu tiên của các Sư trưởng phía Việt Nam tại trường quân sự chuyên nghiệp của Liên Xô.

Được phép của Bộ Quốc phòng Việt Nam, nhóm học viên được phép chia sẻ với các giảng viên Liên Xô tất cả kinh nghiệm trong kháng chiến chống Mỹ cứu nước mà trực tiếp các Sư trưởng đã tham gia chiến đấu để giải phóng miền Nam Việt Nam thống nhất đất nước. Vì phía Liên Xô là đối tác tin cậy của Việt Nam nên những trận đánh điển hình đã được đưa vào các khóa giảng dạy quân sự tại nhà trường Việt Nam cũng được chia sẻ với bên Liên Xô.

Trong quá trình học tập tại Học viện Frunze, đoàn đã được đào tạo về tham mưu chiến dịch, tham mưu chiến lược và nghệ thuật chiến tranh của Liên Xô, đó là những mặt ưu việt trong sở trường quân đội Liên Xô. Với chức năng là một Học viện Tham mưu, họ đã tập trung dạy cho đoàn công tác tham mưu chiến dịch và chiến lược với những kiến thức cơ bản nhất. Tướng Hiệu đặc biệt ấn tượng với những kiến thức được học ở đây, vì trước đó, tại Việt Nam ông đã có ý tìm kiếm để học nhưng không có. Trong lịch sử, Liên Xô từng kinh qua cuộc chiến tranh vệ quốc, chiến tranh thế giới lần thứ hai nên có những bài học kinh nghiệm quý giá. Quân đội nhiều nước trên thế giới đều muốn học hỏi nền nghệ thuật quân sự của Liên Xô. Tướng Hiệu nhận xét rằng “Cái hay nhất của Liên Xô là đào tạo kiến thức cơ bản rất vững chắc. Từ nền tảng đó, sau này chúng tôi có thể sáng tạo và phát triển trong áp dụng thực tiễn tại Việt Nam.” Nhóm học viên Việt Nam đã được giới thiệu các trận đánh điển hình của Liên Xô trong chiến tranh thế giới thứ hai một cách rất kỹ lưỡng, được truyền thụ truyền thống quân đội Xô Viết anh hùng. Các thầy cũng đã dậy rất kỹ cho học viên Việt Nam về trang bị vũ khí của quân đội Xô Viết, lục quân, không quân, hải quân, các binh chủng hợp thành, chiến thuật tác chiến nguyên tử,…

Đặc biệt, học viên Việt Nam được dạy lái và bắn với xe tăng PM-B1. Đoàn học viên được học qua hai bước, đầu tiên học lý thuyết trên máy tính, sau đó học thực hành, được đưa ra trường bắn chính quy, được lái xe tăng và thực hành bắn các bài bắn. Tướng Nguyễn Huy Hiệu khi ấy có niềm vui thật lớn, đó là ông đạt điểm thực hành bắn loại giỏi với xe tăng PM-B1. Nhờ chương trình học đặc biệt này, mà Nguyễn Huy Hiệu và các học viên cùng lớp đã tiếp thu toàn bộ khối kiến thức quân sự cơ bản quý báu của Liên Xô. Sau này về Việt Nam các ông áp dụng có sáng tạo, linh hoạt phù hợp với từng tình thế và điều kiện nước mình. Kiến thức quân sự cơ bản từ Học viện Frunze giúp ông có được tư duy về công tác tham mưu chiến dịch, chiến lược quân sự, cũng như sau này về áp dụng vào phương pháp dạy, và học thế nào ở nhà trường Việt Nam để học viên có thể tiếp thu sáng tạo trong điều kiện và cách đánh giặc, trong nghệ thuật quân sự và chiến tranh nhân dân Việt Nam.

“Cũng nhờ kiến thức cơ bản, cùng với trang bị vũ khí Liên Xô, mà trong lúc chiến đấu, quân đội Việt Nam vận dụng sáng tạo, cải tiến phù hợp nên khi chúng ta sử dụng tên lửa Sam-2 của Liên Xô, hoặc chiếc may bay Mig-21 mới có thể bắn rơi pháo đài bay B52 của Mỹ. Điều quan trọng là dựa trên nền kiến thức cơ bản học được, giúp cho mình năng lực tư duy tổng hợp, và biết cách sáng tạo, chủ động hoàn toàn trong chiến đấu.” - Tướng Hiệu nhấn mạnh.

Chương trình học tại Học viện Frunze còn bao gồm việc học về các quân binh chủng: Hải quân, không quân, lục quân, binh chủng hóa học, thông tin liên lạc, tác chiến điện tử,… tất cả những gì quân đội Liên Xô có, thì đều dạy cho học viên Việt Nam. Sau khi được học kiến thức cơ bản, đoàn học viên về Việt Nam đã tiếp tục nghiên cứu, tìm tòi, sáng tạo và đưa vào ứng dụng thực tế, tận dụng trí tuệ, sức mạnh riêng của Việt Nam để tạo nên một nền văn hóa, nghệ thuật quân sự chiến tranh nhân dân Việt Nam.

Tướng Nguyễn Huy Hiệu cũng chia sẻ rằng, trong thời gian ông và các chiến hữu học tập tại Liên Xô, đều được các thầy cô vô cùng quý mến. Học viện Frunze ưu ái nhất học viên đến từ Việt Nam nên cử nhóm thầy cô giỏi nhất, nhiều kinh nghiệm nhất để dạy và huấn luyện cho học viên Việt Nam. Đó đều là những giảng viên cao tuổi, có người từng kinh qua chiến tranh, trải nghiệm những trận đánh quan trọng. Chính vì thế mới có chuyện buồn cười rằng, các anh ở trên lớp nhìn xuống sân Học viện, thấy các học viên các nước Mông Cổ, Cuba, Triều Tiên, Syria, Liberia, các nước châu Phi đều được các giáo viên trẻ đẹp hướng dẫn trong khi giảng viên hướng dẫn cho học viên Việt Nam thì già hơn nên có ý thắc mắc. Sau đó được giải thích, các anh mới hiểu ra rằng, học viên Việt Nam được ưu tiên cử giảng viên giỏi nhất trực tiếp dạy, vì Việt Nam là nước có chiến tranh kéo dài.

Hơn nữa, mỗi tối thứ Bảy, các thầy cô đều tổ chức các hội thảo nhỏ tại phòng thầy, cô và mời học viên Việt Nam tới dự. Những buổi hội thảo mini đó rất thân mật, gần gũi, không còn khoảng cách thầy trò khi tất cả quây quần uống trà, cà phê nóng, thưởng thức bánh kẹo và cùng chia sẻ kiến thức, thông tin. Không chỉ là chuyện chiến tranh và các kinh nghiệm chiến trường, mà hai bên thầy-trò còn chia sẻ câu chuyện văn hóa, nghệ thuật, ẩm thực, truyền thống, phong tục, tập quán. Các thầy cô thích nghe trò Việt Nam chia sẻ về câu chuyện của người Việt trong truyền thống dựng nước, giữ nước, về nét văn hóa của 54 dân tộc anh em. Còn trò Việt Nam lại thích nghe những chuyện mà trên lớp thầy thường không giảng, về văn hóa nước Nga, các môn nghệ thuật nổi tiếng, về đặc điểm của 14 nước cộng hòa thuộc Liên Xô, phong tục mỗi miền, cùng những điều học trò còn chưa hiểu, còn nhiều thắc mắc chưa được giải đáp trên lớp học… Những kiến thức đó, tuy là phụ trợ, nhưng cũng có ích rất nhiều cho học viên Việt Nam và thầy cô Liên Xô, giúp hai bên hiểu về tinh hoa văn hóa, truyền thống của nhau. Trong văn hóa thì có thể chia sẻ thoải mái, không có vùng cấm như trong quân sự, nên câu chuyện giữa thầy và trò thường rất ấm cúng, thoải mái trong các hội thảo nhỏ tối thứ Bảy như vậy. Sau này về Việt Nam thì điều khiến tướng Hiệu nhớ nhất là những buổi tối hội thảo thật sự rất hay đó. Các giảng viên Liên Xô cũng nhận xét rằng, học viên Việt Nam là nghiêm túc và chăm học nhất, rất ít đi chơi, thậm chí không dám đi chơi. Theo kỷ luật quân đội các ông không cặp kè với bạn gái Liên Xô như học viên nước khác, mà chăm chỉ, siêng năng học tập, thỉnh thoảng mới đi xem trượt tuyết, đi bơi, đi rừng, đi xem nghệ thuật,…

Một năm học tập tại Liên Xô, đã để nhiều thương nhớ trong tâm hồn tướng Hiệu. Ông rất thích phong cách và tâm hồn người Nga. Ông cũng yêu vô cùng nghệ thuật đỉnh cao của đất nước này. Mỗi khi có dịp là ông đi đến Nhà hát Bolshoi xem vũ ballet Hồ Thiên Nga, đến nhà hát vàng, thăm Hạm đội Hắc hải ở Odessa, thăm các công trình kiến trúc đồ sộ tại Leningrad và thăm nơi đã diễn ra các trận chiến nổi tiếng. Nói chung cuộc sống học tập, sinh hoạt trong thời gian học tại Liên Xô diễn ra khá ấn tượng, vui vẻ. Trong thời gian học tập, những khi rèn luyện chịu áp lực cao thì tướng Hiệu đều vượt qua, do ông từng trải qua chiến tranh, tham gia 67 trận đánh trực tiếp, nên ông đã có sức mạnh, sức chịu đựng, tính kỷ luật cao. Học ở Liên Xô là thời gian quá đỗi sung sướng khi ông cùng các Sư trưởng khác được chế độ ăn uống đầy đủ. Riêng tướng Hiệu rất thích món xa lát Nga và bánh mỳ đen. Các món ăn Nga cũng rất hợp khẩu vị, nhất là sữa, bơ, pho- mát, xúp, thịt lợn hầm nhừ,… Trong vòng gần một năm sống và học tập, sinh hoạt tại Liên Xô, tướng Hiệu tăng lên được 10kg, sức khỏe rất tốt.

Ngoài ra, còn có những buổi giao lưu vui vẻ giữa học viên Việt Nam và tất cả học viên các nước khác đang theo học tại Frunze gồm các nước trong khối XHCN: các nước châu Phi, Cuba, Mông Cổ, Triều Tiên,… trong những thông tin chia sẻ, có cả thông tin của tình báo Liên Xô, thông tin về kinh nghiệm chiến tranh của Việt Nam với Mỹ, đó là kho kinh nghiệm vô giá cho Việt Nam, cho các nước, thậm chí là cho cả Liên Xô trong đối sách với Mỹ sau này.

Sau gần một năm học tập tại Học viện Frunze, tướng Nguyễn Huy Hiệu đã tốt nghiệp loại giỏi. Do Học viện dạy nhiều kiến thức nên ông thường thức dậy rất sớm để tự học. Có những gì tạm thời không hiểu, đọc sách cũng chưa tìm ra, thì ông ghi lại để hỏi thầy cô. Ông cũng đã vượt qua nhiều kỳ kiểm tra vô cùng nghiêm ngặt. Trong số nhiều môn học, ông thích nhất môn Nghệ thuật quân sự, Nghệ thuật tham mưu công tác chiến dịch, chiến lược. Thực ra, công tác tham mưu là khó hơn cả, nhưng với tướng Hiệu, thì môn nào càng khó, ông càng thích học, thích đào sâu nghiên cứu.  Sau này, khi trở thành Viện sỹ Viện hàn lâm khoa học quân sự Nga, tướng Nguyễn Huy Hiệu đã viết 7 công trình khoa học quân sự giá trị, cống hiến cho nước nhà.