Ông gia nhập Đảng Cộng sản Việt Nam vào ngày 6/5/1991.

Ông từng là đại biểu hội đồng nhân dân tỉnh Hải Dương nhiệm kỳ 2011-2016.

Ngày 9 tháng 12 năm 2015, tại kì họp HĐND tỉnh Hải Dương khóa 15, Nguyễn Dương Thái, nguyên Phó chủ tịch thường trực UBND tỉnh Hải Dương, đã được 100% đại biểu có mặt bầu giữ chức vụ Chủ tịch UBND tỉnh Hải Dương nhiệm kì 2011-2016.[3]

Tháng 12 năm 2015, Nguyễn Dương Thái, Phó Bí thư Tỉnh ủy, Phó Chủ tịch UBND tỉnh Hải Dương được Thủ tướng Chính phủ Việt Nam phê chuẩn Chức vụ Chủ tịch UBND tỉnh Hải Dương nhiệm kỳ 2011 - 2016.[4]

Khi ứng cử đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa XIV vào tháng 5 năm 2016 ông đang là Phó Bí thư Tỉnh ủy, Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Hải Dương, làm việc ở Ủy ban nhân dân tỉnh Hải Dương.

Ông đã trúng cử đại biểu quốc hội năm 2016 ở đơn vị bầu cử số 2, tỉnh Hải Dương gồm có thành phố Hải Dương và các huyện: Nam Sách, Thanh Hà, được 306.850 phiếu, đạt tỷ lệ 83,78% số phiếu hợp lệ.

Ông hiện là Phó Bí thư Tỉnh ủy, Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh, Trưởng Đoàn đại biểu Quốc hội tỉnh Hải Dương, Ủy viên Ủy ban Tài chính, Ngân sách của Quốc hội.

Ông đang làm việc ở Ủy ban nhân dân tỉnh Hải Dương.