Sau khi tốt nghiệp đại học loại xuất sắc, Bùi Văn Nam về công tác tại Cục A13 (tên cũ của Cục tình báo), lần lượt trải qua các chức vụ Phó phòng, Trưởng phòng. Những năm sau đó, ông về trường An ninh làm Trưởng khoa, sau đó quay lại Bộ Công an làm thư ký cho Bộ trưởng Công an Lê Minh Hương cho đến khi ông Hương thôi chức (2002), sau đó ông được bổ nhiệm Phó cục trưởng phụ trách công tác chính trị và tổ chức, Phó Tổng cục trưởng, Tổng cục trưởng Tổng cục Tình báo (Tổng cục V) và được bổ nhiệm làm Thứ trưởng Bộ Công an năm 2008. Cùng năm, ông được phong hàm Trung tướng.

Ngày 4 tháng 8 năm 2011, ông được Bộ Chính trị Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam điều động làm Bí thư Tỉnh ủy Ninh Bình.

Ngày 5 tháng 8 năm 2013, ông lại được điều động trở về chức vụ Thứ trưởng Bộ Công an.[2]

Ngày 22 tháng 10 năm 2013, ông được Chủ tịch nước Trương Tấn Sang trao quyết định thăng cấp bậc hàm từ Trung tướng lên Thượng tướng.[3]

Ngày 10 tháng 8 năm 2018, Thượng tướng, Thứ trưởng Bùi Văn Nam được Bộ trưởng Bộ Công an Tô Lâm bổ nhiệm giữ chức danh tư pháp Thủ trưởng Cơ quan An ninh điều tra Bộ Công an theo quyết định số 4369/QĐ-BCA.[4]

Ngày 21 tháng 5 năm 2020, Thượng tướng Bùi Văn Nam bàn giao chức danh tư pháp lại cho Trung tướng Lương Tam Quang