Với hơn 26 năm làm việc trong Ngành Ngoại giao, ông đã trải qua nhiều vị trí công tác khác nhau liên quan đến các lĩnh vực hội nhập quốc tế, ngoại giao song phương và đa phương, nghiên cứu kinh tế quốc tế, chính sách đối ngoại và công tác xây dựng Ngành.

Ông bắt đầu sự nghiệp ngoại giao từ tháng 3/1990 khi được phân công công tác tại Vụ Châu Âu 2 (nay là Vụ Châu Âu), Bộ Ngoại giao, và được cử đi công tác nhiệm kỳ tại Đại sứ quán Việt Nam tại Cộng hòa Liên bang Đức với cương vị Tùy viên rồi Bí thư thứ Ba (từ tháng 4/1996 – 5/1999).

Sau khi trở lại công tác tại Bộ Ngoại giao, ông được bổ nhiệm làm Phó Vụ trưởng Vụ Tổ chức Cán bộ (tháng 10/2002).

Từ tháng 8/2003 -3/2005, ông giữ chức Phó Vụ trưởng – Phó Chánh Văn phòng Bộ, Thư ký Bộ trưởng Ngoại giao.

Trong giai đoạn từ tháng 3/2005 – 8/2007, ông lần lượt giữ chức Quyền Vụ trưởng Vụ Tổ chức Cán bộ, Quyền Vụ trưởng rồi Vụ trưởng Ban Thư ký APEC Quốc gia 2006 và Vụ trưởng Nhóm Tư vấn Lãnh đạo Bộ.

Từ 2007 - 2011 ông là Đại sứ Đặc mệnh Toàn quyền Việt Nam tại Hungary, kiêm nhiệm Croatia, Bosnia và Herzegovina và Albania.

Từ 2011 đến 2015, ông giữ chức Vụ trưởng Vụ Tổng hợp Kinh tế.

Tháng 12/2015, ông được bầu làm Ủy viên Ban Cán sự Đảng Bộ Ngoại giao.

Trước đó, từ tháng 3/2015, ông đảm nhận cương vị Trợ lý Bộ trưởng Ngoại giao, Vụ trưởng Vụ Tổ chức Cán bộ, Phó Bí thư Đảng ủy Bộ Ngoại giao.

Tháng 8/2016, tại Quyết định số 1618/QĐ-TTg, Thủ tướng Nguyễn Xuân Phúc bổ nhiệm ông Nguyễn Quốc Dũng, Trợ lý Bộ trưởng Ngoại giao, Vụ trưởng Vụ Tổ chức Cán bộ giữ chức vụ Thứ trưởng Bộ Ngoại giao[2].

Năm 2019, ông Nguyễn Quốc Dũng được giao làm Tổng thư ký Ủy ban Quốc gia ASEAN 2020[3].