Từ năm 1991 đến năm 1997, bà là Chuyên viên, Trưởng phòng Công pháp quốc tế, Vụ Luật pháp và Điều ước quốc tế – Bộ Ngoại giao Việt Nam.[4]

Từ năm 1997 đến năm 2000, bà là Phu nhân Trưởng Văn phòng Berlin, Đại sứ quán CHXHCN Việt Nam tại Cộng hòa Liên bang Đức.[4]

Từ năm 2000 đến năm 2002, bà là Trưởng phòng Điều ước quốc tế, Vụ Luật pháp và Điều ước quốc tế.[4]

Từ năm 2002 đến năm 2003, bà là Trợ lý Vụ trưởng Vụ Luật pháp quốc tế phụ trách các vấn đề về pháp chế và điều ước quốc tế.[4]

Từ năm 2003 đến năm 2009, bà là Phó Vụ trưởng Vụ Luật pháp quốc tế, phụ trách các vấn đề về công pháp quốc tế và biên giới lãnh thổ.[4]

Từ tháng 7 năm 2009 đến tháng 5 năm 2012, bà là Vụ trưởng Vụ Luật pháp quốc tế.[4]

Từ tháng 7 năm 2012, bà là Đại sứ Đặc mệnh Toàn quyền CHXHCN Việt Nam tại CHLB Đức.[4] Bà Nguyễn Thị Hoàng Anh nhận nhiệm vụ thay người tiền nhiệm của bà là Tiến sĩ Đỗ Hòa Bình hết nhiệm kỳ công tác tại Đức. Bà là nữ đại sứ đầu tiên của Việt Nam tại CHLB Đức và là một trong những đại sứ thông thạo tiếng Đức.[3]

Thẩm phán Tòa án nhân dân tối cao

Năm 2015, bà được Ban cán sự Đảng Cộng sản Việt Nam ở Bộ Ngoại giao Việt Nam giới thiệu làm Thẩm phán Tòa án nhân dân tối cao.[7]

Ngày 26 tháng 6 năm 2015, bà được Quốc hội Việt Nam khóa 13 phê chuẩn làm Thẩm phán Tòa án nhân dân tối cao (470 phiếu hợp lệ – 2 phiếu không hợp lệ; 320 phiếu đồng ý – 150 phiếu không đồng ý[8])[9] Trước đó, vào ngày 24 tháng 6 năm 2015, khi trình bày báo cáo thẩm tra ứng cử viên, ông Nguyễn Văn Hiện, Chủ nhiệm Ủy ban Tư pháp của Quốc hội nói rằng có những ý kiến cho rằng bà Nguyễn Thị Hoàng Anh được đào tạo chuyên sâu luật Công pháp chứ không phải Tư pháp, công tác lâu năm trong lĩnh vực pháp luật quốc tế và ngoại giao, chưa từng công tác tại các cơ quan tư pháp, và đã quá tuổi 55 (theo nghị định 53 của Chính phủ), nên không đồng ý bổ nhiệm bà làm Thẩm phán Tòa án nhân dân tối cao.[7]

Ngày 31 tháng 7 năm 2015, Chủ tịch nước Trương Tấn Sang đã trao quyết định bổ nhiệm Thẩm phán Tòa án nhân dân tối cao cho bà Nguyễn Thị Hoàng Anh cùng 14 người khác.[10]

Bà là đại sứ đầu tiên trong lịch sử Việt Nam được bổ nhiệm làm Thẩm phán Tòa án nhân dân tối cao.[11]