Tháng 10/1984 – 09/1985: Cán bộ Trạm Bảo vệ thực vật Thạch Hà;

Tháng 10/1985 – 06/1986: Trưởng phòng kỹ thuật Công ty Bảo hiểm cây trồng Thạch Hà;

Tháng 07/1986 – 06/1988: Trưởng phòng kỹ thuật Trung tâm giống cây trồng Thạch Hà; Bí thư Đoàn thanh niên;

Tháng 07/1988 – 05/1992: Phó GĐ Trung tâm Giống cây trồng Thạch Hà; Bí thư Chi bộ nhiệm kỳ 1991 – 1992; Ủy viên BCH Đảng bộ huyện Thạch Hà nhiệm kỳ 1991 – 1996;

Tháng 06/1992 – 12/1993: Ủy viên BCH Đảng bộ huyện, Uỷ viên UBND huyện, Trưởng phòng Nông – Lâm – Ngư huyện Thạch Hà;

Tháng 01/1994 – 08/1997: Ủy viên BCH Đảng bộ huyện, Phó chủ tịch UBND huyện Thạch Hà; Đại biểu HĐND huyện Thạch Hà;

Tháng 09/1997 – 08/1999: Học cử nhân chính trị tại Học viện chính trị Quốc gia HCM;

Tháng 09/1999 – 12/1999: Ủy viên BCH Đảng bộ huyện, Phó Chủ tịch UBND huyện Thạch Hà;

Tháng 01/2000 – 11/2002: Phó Bí thư Huyện uỷ, Chủ tịch UBND huyện Thạch Hà;

Tháng 12/2002 – 12/2005: Ủy viên BCH Đảng bộ tỉnh, Phó GĐ Thường trực Sở Nông nghiệp và PTNN; Đai biểu HĐND tỉnh nhiệm kỳ 2004 – 2009;

Tháng 01/2006 – 09/2010: Ủy viên BCH Đảng bộ tỉnh, GĐ Sở Nông nghiệp và PTNN, Đại biểu HĐND tỉnh, Uỷ viên UBND tỉnh;

Tháng 09/2010 – 10/2010: Ủy viên BTV Tỉnh uỷ, GĐ Sở Nông nghiệp và PTNT; Đại biểu HĐND tỉnh, Uỷ viên UBND tỉnh;

Tháng 10/2010 – 8/5/2015: Uỷ viên BTV Tỉnh uỷ, Phó Chủ tịch UBND tỉnh Hà Tĩnh

Từ ngày 8/5/2015: Phó Bí thư Tỉnh ủy, Chủ tịch UBND tỉnh.

Sáng ngày 27/6/2016, tại kỳ họp thứ nhất, HĐND tỉnh Hà Tĩnh khóa XVII 2016-2021 đã bầu ông Lê Đình Sơn, Bí thư Tỉnh ủy, làm Chủ tịch HĐND tỉnh với tỷ lệ phiếu tán thành 100%.[2]