Tháng 10 năm 1998, sau khi tốt nghiệp trường An ninh, Lê Nhật Thành nhận cấp hiệu Trung úy, được điều về Tổng cục An ninh, Bộ Công an, phân công làm Cán bộ Tham mưu, Phòng Tham mưu, Cục Bảo vệ Chính trị IV. Sau đó nửa năm, vào tháng 3 năm 1999, ông được điều chuyển làm Cán bộ Trinh sát thuộc Phòng 2, Cục Bảo vệ Chính trị IV, đến tháng 5 năm 2003 thì chuyển tới Cục An ninh xã hội làm Cán bộ Tham mưu của Phòng Tham mưu, đồng thời là Bí thư Đoàn cơ sở Cục An ninh xã hội.[2] Sau đó, tháng 8 năm 2008, ông được phân công làm Phó Bí thư chi bộ, thăng chức Phó Trưởng phòng Tham mưu Cục An ninh xã hội, được bầu làm Ủy viên Đảng ủy Cục An ninh xã hội, Bí thư chi bộ, Trưởng phòng Tham mưu Cục An ninh xã hội từ tháng 11 năm 2014. Tháng 9 năm 2018, Tổng cục An ninh được giải thể, Cục An ninh xã hội được đổi thành Cục An ninh nội địa, ông tiếp tục công tác ở cơ quan này, là Ủy viên Đảng ủy Cục An ninh nội địa, Trưởng phòng Tham mưu Cục An ninh nội địa, Bộ Công an.[3]

Tháng 3 năm 2021, Lê Nhật Thành tham gia công tác chỉ đạo bảo đảm an ninh nội địa, được bầu làm Ủy viên Đảng ủy Cục An ninh nội địa, đồng thời được bổ nhiệm làm Phó Cục trưởng Cục An ninh nội địa, Bộ Công an, cấp hiệu Đại tá. Trong năm này, ông được Đảng ủy Công an giới thiệu tham gia ứng cử đại biểu Quốc hội từ Hà Nội,[4] tại đơn vị bầu cử số 8 gồm huyện Quốc Oai, Chương Mỹ, Thạch Thất,[5][6] rồi trúng cử Đại biểu Quốc hội khóa XV với tỷ lệ 69,66%.[7][8] Trong nhiệm kỳ này, từ ngày 23 tháng 7 năm 2021, ông được phân công làm Ủy viên chuyên trách Hội đồng dân tộc của Quốc hội, Phó Chủ tịch Nhóm nghị sĩ Việt Nam – Palestine từ tháng 11 năm 2021.[9]