Sau khi tốt nghiệp, từ tháng 8 năm 1980 đến tháng 10 năm 1988, Nguyễn Văn Thành được phân công về công tác tại Công an Thành phố Hải Phòng, thăng dần lên Đội phó, Đội trưởng, Phó trưởng phòng nghiệp vụ Công an Thành phố Hải Phòng. Ông được kết nạp vào Đảng Cộng sản Việt Nam ngày 27 tháng 5 năm 1982.

Từ tháng 10 năm 1988 đến tháng 6 năm 1996, Nguyễn Văn Thành lần lượt giữ các chức vụ Ủy viên Ban Thường vụ Quận ủy, Trung tá, Trưởng Công an quận Hồng Bàng, sau đó, chuyển sang công tác hành chính, lần lượt giữ chức Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân quận Hồng Bàng, Phó Bí thư Quận ủy, Chủ tịch Ủy ban nhân dân quận Hồng Bàng.

Tháng 7 năm 1996, Nguyễn Văn Thành được bầu làm Ủy viên Ban chấp hành Đảng bộ Thành phố Hải Phòng khóa 11, Bí thư Quận ủy, kiêm Chủ tịch Hội đồng nhân dân quận Hồng Bàng. Tháng 4 năm 2001, được bầu làm Ủy viên Ban chấp hành Đảng bộ Thành phố Hải Phòng khóa 12, Ủy viên Ban Thường vụ Thành ủy, Chánh Văn phòng Thành ủy.

Từ tháng 6 năm 2004, ông là Ủy viên Ban Thường vụ Thành ủy, lần lượt là Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân thành phố, rồi Phó Chủ tịch Thường trực Ủy ban nhân dân thành phố. Tháng 12 năm 2009, ông được bầu làm Phó Bí thư Thành ủy, Bí thư Ban cán sự Đảng Ủy ban nhân dân thành phố, Chủ tịch Ủy ban nhân dân thành phố.

Ngày 1 tháng 12 năm 2010, Nguyễn Văn Thành được bầu làm Bí thư Thành ủy Hải Phòng[3]. Ngày 14 tháng 12 năm 2010, ông được phê chuẩn miễn nhiệm chức danh Chủ tịch Ủy ban nhân dân. Người kế nhiệm ông trong chức vụ Chủ tịch Ủy ban nhân dân Thành phố Hải Phòng là Dương Anh Điền.

Ngày 1 tháng 12 năm 2014, Nguyễn Văn Thành thôi giữ chức Bí thư Thành ủy Hải Phòng, Chủ tịch Hội đồng nhân dân thành phố Hải Phòng nhiệm kỳ 2011-2016 để chuyển về làm Phó Chánh Văn phòng Trung ương Đảng. Ủy viên Bộ Chính trị, Trưởng ban Tổ chức Trung ương Tô Huy Rứa có mặt tại Hải Phòng ngày 1/12 để dự cuộc họp về quyết định này.

Ngày 7 tháng 12 năm 2015, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 2188/QĐ-TTg bổ nhiệm ông Nguyễn Văn Thành, Ủy viên Trung ương Đảng, nguyên Phó Chánh Văn phòng Trung ương Đảng giữ chức Thứ trưởng Bộ Công an.[4]

Các học vị, học hàm của ông gồm Phó Giáo sư, Tiến sĩ Kinh tế, Cử nhân Luật, Cử nhân Anh văn.

Ngày 22/03/2016, Chủ tịch nước ký Quyết định thăng quân hàm Thượng tướng.