Năm 2000, sau khi bảo vệ luận án tiến sĩ hoá học, ông về Việt Nam, làm giảng viên Khoa Hóa học, lên đến chức Phó Chủ nhiệm khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Ông trưởng thành trong công tác đoàn thể, được kết nạp Đảng Cộng sản Việt Nam ngày 24 tháng 11 năm 2003, chính thức ngày 24 tháng 11 năm 2004. Năm 2006, ông là một trong 10 gương mặt trẻ Việt Nam tiêu biểu.

Tháng 5 năm 2007, ông được bầu làm Bí thư Đoàn Đại học Quốc gia Hà Nội.

Tháng 12 năm 2007, ông được Hội đồng chức danh nhà nước phong tặng chức danh Phó giáo sư (và là phó giáo sư trẻ nhất năm đó), và được bổ nhiệm giữ chức Phó Chủ nhiệm khoa Hóa học.

Cũng trong tháng 12 năm 2007, ông được bầu làm Ủy viên Ban Thường vụ Trung ương Đoàn Thanh niên Cộng sản Hồ Chí Minh.

Tháng 8 năm 2008, ông được bầu làm Bí thư Ban Chấp hành Trung ương Đoàn Thanh niên Cộng sản Hồ Chí Minh kiêm Trưởng ban Thanh niên Trường học, kiêm Chủ tịch Hội Sinh viên Việt Nam (từ tháng 2 năm 2009), Giám đốc Học viện Thanh thiếu niên Việt Nam (từ tháng 6 năm 2009), Phó Chủ tịch Hội Liên hiệp Thanh niên Việt Nam (tháng 10 năm 2009 – tháng 5 năm 2010).

Tại Đại hội Đảng lần thứ XI, ông được bầu là Ủy viên dự khuyết Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa XI.

Năm 2011, ông được bầu làm Đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa XIII nhiệm kì 2011-2016 tỉnh Đắk Nông.[4]

Ngày 5 tháng 10 năm 2011, tại Hội nghị Ban Chấp hành Trung ương Đoàn lần thứ 11 khóa IX, ông được bầu là Bí thư thứ nhất Ban Chấp hành Trung ương Đoàn Thanh niên Cộng sản Hồ Chí Minh khóa IX.

Ngày 13 tháng 12 năm 2012, tại Đại hội Đoàn toàn quốc lần thứ X, ông tái đắc cử Bí thư thứ nhất Ban Chấp hành Trung ương Đoàn Thanh niên Cộng sản Hồ Chí Minh khóa X.

Ngày 26 tháng 1 năm 2016, tại Đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ 12 của Đảng Cộng sản Việt Nam, ông tiếp tục được bầu làm ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa 12 nhiệm kì 2016-2021.

Sáng ngày 16 tháng 4 năm 2016, theo Quyết định của Bộ Chính trị Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam, ông được điều động giữ chức Bí thư Tỉnh ủy Nghệ An nhiệm kỳ 2015-2020, trở thành một trong những vị Bí thư trẻ nhất Đảng bộ tỉnh này trong lịch sử tại thời điểm nhận nhiệm vụ.

Ngày 23 tháng 12 năm 2019, theo Quyết định số 1728-QĐNS/TW của Bộ Chính trị, ông được điều động, phân công giữ chức vụ Phó Chánh Văn phòng Trung ương Đảng.