Ông từng giữ các chức vụ Phó Trưởng phòng, Trưởng phòng, Trường Đại học Phòng cháy chữa cháy (1986); Phó Cục trưởng Cục Quản lý Khoa học kỹ thuật và môi trường, Tổng cục Hậu cần - Kỹ thuật Công an nhân dân (1999); Cục trưởng, Trưởng Ban Quản lý dự án, Tổng cục Hậu cần - Kỹ thuật Công an nhân dân (2005).

Năm 2008, ông mang quân hàm Đại tá, giữ chức vụ Phó Tổng cục trưởng Tổng cục Kỹ thuật Công an nhân dân.[7]

Năm 2012, ông mang quân hàm Thiếu tướng, giữ chức vụ Phó Tổng cục trưởng Tổng cục Hậu cần- Kỹ thuật Bộ Công an.[8]

Trước khi được bổ nhiệm vào chức vụ Thứ trưởng Công an, ông là Phó Tổng cục trưởng Tổng cục Kỹ thuật Bộ Công an, hàm Đại tá (sau thăng Thiếu tướng).

Chiều ngày 13 tháng 8 năm 2014, ông được Thủ tướng Chính phủ Việt Nam Nguyễn Tấn Dũng bổ nhiệm vào chức vụ Thứ trưởng Bộ Công an. Cùng ngày, ông được Chủ tịch nước Trương Tấn Sang thăng quân hàm từ Thiếu tướng lên Trung tướng, phụ trách công tác Hậu cần - Kỹ thuật CAND, lực lượng Cảnh sát phòng cháy và chữa cháy. Ngoài ra, ông còn là Ủy viên Đảng ủy Công an Trung ương (2010 - 2015, 2016 - 2018).[9]

Ngày 28 tháng 7 năm 2018, ông bị Bộ Chính trị Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam kỷ luật bằng hình thức cách chức tất cả các chức vụ trong Đảng Cộng sản Việt Nam.

Ngày 8 tháng 8 năm 2018, ông bị Thủ tướng Nguyễn Xuân Phúc ký quyết định cách chức Thứ trưởng Bộ Công an và ký tờ trình Chủ tịch nước Trần Đại Quang giáng 2 cấp bậc hàm từ Trung tướng xuống Đại tá.

Sau đó, theo Quyết định số 1388/QĐ-CTN, giáng cấp bậc hàm Trung tướng Bùi Văn Thành xuống Đại tá.

Ngày 14 tháng 8 năm 2018, Bộ trưởng Bộ Công an Tô Lâm ban hành quyết định xóa tư cách Phó tổng cục trưởng Tổng cục Hậu cần - Kỹ thuật đối với ông Bùi Văn Thành.[10]