Tháng 11 năm 1996, Bùi Mạnh Khoa được tuyển dụng công chức vào Tòa án nhân dân tỉnh Thanh Hóa, nhậm chức Thư ký Tòa Hành chính của Tòa án nhân dân tỉnh. Trong giai đoạn này, ông cũng tham gia công tác Đoàn Thanh niên Cộng sản Hồ Chí Minh, là Bí thư Đoàn thanh niên của Tòa án nhân dân tỉnh.[3] Tháng 6 năm 2001, ông được chuyển sang làm Thư ký Tòa Kinh tế, đến tháng 1 năm 2005 thì được phân công làm Chuyên viên Phòng Tổ chức cán bộ của Tòa án nhân dân tỉnh. Tháng 3 năm 2007, sau hơn 10 năm công tác ở tòa án, ông được điều tới Văn phòng Đoàn Đại biểu Quốc hội và Hội đồng nhân dân tỉnh Thanh Hóa làm Chuyên viên Phòng Công tác Đại biểu Quốc hội, và là Phó Chủ tịch Công đoàn từ tháng 3 năm 2007. Tháng 10 năm 2010, ông nhậm chức Phó Trưởng phòng Công tác Đại biểu Quốc hội, giữ chức này hơn 1 nhiệm kỳ cho đến tháng 1 năm 2016 thì được điều về huyện Quan Sơn làm Phó Bí thư thường trực Huyện ủy.[2]

Tháng 7 năm 2018, Bùi Mạnh Khoa được bổ nhiệm làm Cục trưởng Cục Thi hành án dân sự tỉnh Thanh Hóa, và là Bí thư Đảng bộ Cục từ tháng 4 năm 2019.[4] Năm 2021, ông được Ủy ban Trung ương Mặt trận Tổ quốc Việt Nam tỉnh giới thiệu tham gia ứng cử đại biểu quốc hội từ Thanh Hóa,[5] bầu cử ở đơn vị bầu cử số 1 gồm thành phố Thanh Hóa, Sầm Sơn, huyện Hoằng Hóa, Đông Sơn,[6][7] rồi trúng cử Đại biểu Quốc hội khóa XV với tỷ lệ 92,31%.[8] Ngày 21 tháng 7 năm 2021, ông được phê chuẩn làm Ủy viên chuyên trách Ủy ban Pháp luật của Quốc hội.[9]