Năm 2008, ông giữ chức Phó chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Bình.[5][6]

Ngày 6 tháng 1 năm 2010, Hội đồng nhân dân tỉnh Quảng Bình họp bất thường để bầu Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh mới thay ông Phan Lâm Phương nghỉ hưu theo chế độ. Ông Nguyễn Hữu Hoài, bấy giờ là Phó bí thư Tỉnh ủy, Phó chủ tịch thường trực Ủy ban nhân dân tỉnh đã được bầu làm Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Bình nhiệm kì 2006-2011 với 100% số phiếu bầu.[7]

Năm 2010, ông giữ chức Trưởng Ban Quản lý khu kinh tế Quảng Bình.[8]

Tháng 6 năm 2011, ông tái đắc cử chức vụ Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Bình nhiệm kì 2011-2016 trong kì họp thứ nhất của Hội đồng nhân dân tỉnh Quảng Bình.[9]

Ông tái đắc cử lần thứ 2, nhiệm kì 2016-2021 trong phiên họp đầu tiên của Hội đồng nhân dân tỉnh Quảng Bình khóa 17 ngày 24 tháng 6 năm 2016.[10] Tuy nhiên, chỉ 2 năm rưỡi sau, ngày 6 tháng 12 năm 2018, Hội đồng nhân dân tỉnh Quảng Bình đã phê chuẩn để ông Nguyễn Hữu Hoài nghỉ hưu theo chế độ.[11]