Bà từng kinh qua các chức vụ Phó Giám đốc Học viện Thanh Thiếu niên Việt Nam (thuộc Trung ương Đoàn Thanh niên Cộng sản Hồ Chí Minh), nguyên Phó Chủ nhiệm Văn phòng Quốc hội và Phó Chủ nhiệm Ủy ban Văn hóa, Giáo dục, Thanh thiếu niên và Nhi đồng của Quốc hội.

Tại kỳ họp 11 Quốc hội khóa 13 (4/2016), bà được Quốc hội bầu vào Ủy ban Thường vụ Quốc hội, giữ chức vụ Chủ nhiệm Ủy ban Văn hóa, Giáo dục, Thanh niên, Thiếu niên và Nhi đồng Quốc hội (Việt Nam) thay ông Đào Trọng Thi.

Năm 2016, bà được trung ương đề cử và trúng cử đại biểu quốc hội khóa 14 ở đơn vị bầu cử số 1, tỉnh Hòa Bình, gồm thành phố Hòa Bình và các huyện Đà Bắc, Lương Sơn, Kim Bôi, Kỳ Sơn với tỉ lệ 77,14% số phiếu (cùng với đại biểu Bùi Thu Hằng, sinh năm 1971, và Nguyễn Tiến Sinh, sinh năm 1968).[3]

Tại kỳ họp 1 Quốc hội khóa 14 (7/2016), bà được Quốc hội bầu vào Ủy ban Thường vụ Quốc hội, giữ chức vụ Trưởng ban Dân nguyện thuộc Ủy ban Thường vụ Quốc hội.

Ngày 2 tháng 6 năm 2020, Chủ tịch Quốc hội Nguyễn Thị Kim Ngân đã thay mặt Ủy ban thường vụ Quốc hội Việt Nam khóa 14 kí Nghị quyết số 955/NQ-UBTVQH14 về việc chuyển sinh hoạt Đoàn đại biểu Quốc hội đối với bà Nguyễn Thanh Hải từ đoàn đại biểu tỉnh Hòa Bình về đoàn đại biểu tỉnh Thái Nguyên do trước đó bà Hải có đơn xin chuyển sau khi bà được điều động làm Bí thư Tỉnh ủy Thái Nguyên.[15]

Ngày 11 tháng 6 năm 2020, Quốc hội Việt Nam khóa 14 đã thông qua Nghị quyết về việc phê chuẩn miễn nhiệm chức vụ ủy viên Ủy ban Thường vụ Quốc hội đối với bà Nguyễn Thanh Hải.[16]

Ngày 12 tháng 6 năm 2020, Ủy ban thường vụ Quốc hội ban hành Nghị quyết số 960/NQ-UBTVQH14 về việc phê chuẩn bà làm Trưởng đoàn Đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa 14 tỉnh Thái Nguyên căn cứ vào Biên bản bầu Trưởng Đoàn đại biểu Quốc hội tỉnh Thái Nguyên ngày 8 tháng 6 năm 2020 và Tờ trình số 368/TTr-BCTĐB ngày 11/6/2020 của Ban Công tác đại biểu Quốc hội.