Ông từng là Phó Sở Bưu chính Viễn thông; Quyền Giám đốc Sở Bưu chính Viễn thông; Phó Giám đốc Sở Thông tin và truyền thông; Bí thư Tỉnh Đoàn; Đại biểu Quốc hội khóa XII, XIII đoàn ĐBQH tỉnh Tây Ninh; Phó Trưởng Đoàn (chuyên trách) Đoàn ĐBQH khóa XIII đơn vị tỉnh Tây Ninh; Bí thư Huyện ủy Gò Dầu.

Sáng ngày 1 tháng 7 năm 2016, tại kỳ họp lần thứ I Hội đồng nhân dân tỉnh Tây Ninh khóa IX, ông Nguyễn Thành Tâm, Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy, Bí thư Huyện ủy Gò Dầu, được bầu làm Chủ tịch Hội đồng nhân dân tỉnh Tây Ninh khóa IX với trên 98% số đại biểu đồng ý.[1]

Tháng 1 năm 2017 ông được Ban bí thư Trung ương Đảng chuẩn y làm Phó Bí thư Tỉnh ủy Tây Ninh khóa X nhiệm kì 2015 - 2020.

Tháng 2 năm 2020 ông được Ban chấp hành Đảng bộ tỉnh phân công làm Phó Bí thư Thường trực Tỉnh ủy Tây Ninh thay ông Nguyễn Minh Tân nghỉ hưu.

Ngày 24/8/2020 được sự đồng ý của Bộ chính trị, Ban Thường vụ Tỉnh ủy Tây Ninh tổ chức Hội nghị Ban chấp hành đảng bộ tỉnh thực hiện quy trình bầu bổ sung chức danh Bí thư Tỉnh ủy Tây Ninh khóa X, nhiệm kì 2015 - 2020. Kết quả, ông Nguyễn Thành Tâm được bầu giữ chức Bí thư Tỉnh ủy Tây Ninh khóa X nhiệm kì 2015 - 2020 với 41/41 số phiếu đồng ý (đạt 100%).[3]

Cũng tại Hội nghị, Ban chấp hành Đảng bộ tỉnh cũng thống nhất giới thiệu ông Nguyễn Thành Tâm tham gia Ban thường vụ, Ban chấp hành và giữ chức Bí thư Đảng ủy Quân sự tỉnh Tây Ninh nhiệm kì 2020 - 2025.[4]

Ông hiện là Ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa XIII, Bí thư Tỉnh ủy, Chủ tịch Hội đồng nhân dân tỉnh Tây Ninh.