Trước năm 2018, Nguyễn Quốc Đoàn là Đại tá, Cục trưởng, Phó Tư lệnh Bộ Tư lệnh Cảnh sát Cơ động (Việt Nam).

Từ năm 2018, Bộ trưởng Bộ Công an có quyết định điều động Đại tá Nguyễn Quốc Đoàn, Phó Tư lệnh Bộ Tư lệnh Cảnh sát Cơ động (Việt Nam) đến nhận công tác và giữ chức vụ Giám đốc Công an tỉnh Thừa Thiên Huế.

Từ tháng 7 năm 2020, ông là Phó Bí thư Tỉnh ủy Thừa Thiên Huế.

Từ tháng 10 năm 2020, ông là Phó Bí thư Thường trực Tỉnh ủy Thừa Thiên Huế.

Ngày 30 tháng 1 năm 2021, tại Đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ XIII của Đảng, Ông được bầu là Ủy viên Trung ương Đảng khóa XIII, nhiệm kỳ 2021-2026.[2]

Ngày 1 tháng 7 năm 2021, Tỉnh ủy Lạng Sơn tổ chức Hội nghị triển khai Quyết định của Bộ Chính trị về công tác cán bộ. Theo đó, tại Quyết định số 126-QĐNS/TW, Bộ Chính trị quyết định ông Nguyễn Quốc Đoàn, Ủy viên Trung ương Đảng, Phó Bí thư Thường trực Tỉnh ủy Thừa Thiên - Huế thôi tham gia Ban Chấp hành, Ban Thường vụ và thôi giữ chức Phó Bí thư Thường trực Tỉnh ủy Thừa Thiên - Huế nhiệm kỳ 2020-2025, chỉ định tham gia Ban Chấp hành, Ban Thường vụ, giữ chức Bí thư Tỉnh ủy Lạng Sơn nhiệm kỳ 2020-2025.[3]