Từ tháng 8/2003: Nguyễn Quân được cử làm Vụ trưởng Vụ Tổ chức cán bộ, Ủy viên Ban cán sự Đảng Bộ Khoa học và Công nghệ

Tháng 9/2007 đến tháng 4/2016: Ông trở thành Ủy viên Ban cán sự Đảng, Thứ trưởng rồi Thứ trưởng Thường trực Bộ Khoa học và Công nghệ, Phó Bí thư Thường trực Đảng ủy Bộ Khoa học và Công nghệ. Tại Đại hội toàn quốc lần thứ XI của Đảng được bầu vào Ban Chấp hành Trung ương Đảng cộng sản Việt Nam. Tại kỳ họp thứ nhất Quốc hội khóa XIII, được Quốc hội phê chuẩn làm Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ.

Tháng 4/2016: Tại kỳ họp thứ 11, Quốc hội khóa XIII, Quốc hội phê chuẩn, Chủ tịch nước miễn nhiệm chức vụ Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ.