Sau 3 năm nhập ngũ, ông về làm cán bộ nghiên cứu Ban Kinh tế thế giới của Ủy ban Khoa học xã hội Việt Nam.[3]
Sau đó, ông đến Liên bang Nga làm nghiên cứu sinh tại Viện MEMO thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga trong hơn 5 năm, rồi làm cộng tác viên khoa học cho Viện này trong 3 năm.[3]
Từ 2007 đến 2011, ông được bổ nhiệm làm Phó Chủ tịch Viện Khoa học xã hội Việt Nam.[3]
Từ 2011, ông làm Chủ tịch Viện Khoa học xã hội Việt Nam (nay là Viện Hàn lâm Khoa học xã hội Việt Nam).[3]
Tháng 4/2016, ông thôi giữ chức Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học xã hội Việt Nam để giữ chức Giám đốc Học viện Chính trị Quốc gia Hồ Chí Minh.[4]
Ngày 6 tháng 10 năm 2017, tại Hội nghị Trung ương 6, Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa XII đã bầu bổ sung Nguyễn Xuân Thắng làm Ủy viên Ban Bí thư.[5]
Ngày 14 Tháng 12 năm 2017 ông được Bộ chính trị phân công phụ trách Hội đồng Lý luận Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam trong thời gian Đinh Thế Huynh, Thường trực Ban Bí thư, Chủ tịch Hội đồng Lý luận Trung ương nghỉ điều trị bệnh.
Ông là ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa XII, khóa XI.[3]
