Từ tháng 4 năm 1984 - tháng 9 năm 1991: Cán bộ Phòng Phân vùng quy hoạch, Uỷ ban Kế hoạch tỉnh Hoàng Liên Sơn.[2]

Từ tháng 10 năm 1991 - tháng 3 năm 1993: Cán bộ Phòng Kinh tế ngành, Ủy ban Kế hoạch tỉnh Lào Cai.

Từ tháng 4 năm 1993 - tháng 12 năm 1994: Phó Trưởng phòng Tổng hợp, Sở Kế hoạch và Đầu tư Lào Cai.

Từ tháng 1 năm 1995 - tháng 8 năm 1998: Trưởng phòng Tổng hợp, Sở Kế hoạch và Đầu tư Lào Cai.

Từ tháng 9 năm 1998 - tháng 12 năm 2002: Phó Giám đốc Sở Kế hoạch và Đầu tư Lào Cai.

Từ tháng 1 năm 2003 - tháng 7 năm 2005: Chánh Văn phòng Hội đồng nhân dân và Ủy ban nhân dân tỉnh Lào Cai.

Từ tháng 8 năm 2005 - tháng 9 năm 2005: Cán bộ luân chuyển về Huyện ủy Bắc Hà, Phó Trưởng Tiểu ban Nhân sự và Tiểu ban Văn kiện Đại hội Đảng bộ huyện Bắc Hà lần thứ XXI, nhiệm kỳ 2005 - 2010.

Từ tháng 10 năm 2005 - tháng 9 năm 2008: Ủy viên Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh khoá XIII, nhiệm kỳ 2005 – 2010, Bí thư Huyện ủy Bắc Hà, tỉnh Lào Cai.

Từ tháng 10 năm 2008 - tháng 5 năm 2010: Ủy viên Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh khoá XIII, nhiệm kỳ 2005 – 2010, Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Lào Cai khoá XIII, nhiệm kỳ 2004 - 2011.

Từ tháng 6 năm 2010 - tháng 8 năm 2013: Phó Bí thư Tỉnh ủy nhiệm kỳ 2005 - 2010 và nhiệm kỳ 2010 - 2015, Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Lào Cai nhiệm kỳ 2004 - 2011 và nhiệm kỳ 2011 - 2016.

Từ tháng 8 năm 2013 - tháng 9 năm 2015: Bí thư Tỉnh ủy Lào Cai khóa XIV, nhiệm kỳ 2010 - 2015.[3]

Chiều ngày 10 tháng 12 năm 2015, tại kỳ họp thứ 15 Hội đồng nhân dân tỉnh Lào Cai khóa XIV, đã bầu ông Nguyễn Văn Vịnh giữ chức Chủ tịch Hội đồng nhân dân, nhiệm kỳ 2011 - 2016.[4]

Tại Đại hội đại biểu Đảng bộ tỉnh lần thứ XV, nhiệm kỳ 2015 – 2020, Nguyễn Văn Vịnh được bầu vào Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh khóa XV. Hội nghị lần thứ Nhất Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh khóa XV đã bầu ông Nguyễn Văn Vịnh vào Ban Thường vụ Tỉnh ủy khóa XV và bầu giữ chức vụ Bí thư Tỉnh ủy khóa XV.[5]

Tại Đại hội Đảng Cộng sản Việt Nam lần thứ XII, diễn ra từ ngày 20 đến 28 tháng 1 năm 2016, ông trúng cử Ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sảm Việt Nam khóa XII.[6]

Sáng ngày 21 tháng 6 năm 2016, tại kỳ họp thứ nhất Hội đồng nhân dân tỉnh Lào Cai khoá XV, nhiệm kỳ 2016 – 2021 đã bầu ông Nguyễn Văn Vịnh, Uỷ viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng, Bí thư Tỉnh uỷ, Chủ tịch Hội đồng nhân dân tỉnh khoá XIV, nhiệm kỳ 2011 – 2016 tiếp tục giữ chức Chủ tịch HĐND tỉnh khoá XV.