Sông Lam Nghệ An

Hoàng Thịnh trưởng thành từ lò đào tạo trẻ Sông Lam Nghệ An. Anh được đôn lên thi đấu ở đội 1 từ mùa giải 2011. Trong suốt thời gian thi đấu cho Sông Lam Nghệ An (tới hết mùa giải 2015) anh đã 88 lần ra sân và ghi được 3 bàn thắng.

FLC Thanh Hóa

Cuối năm 2015 Hoàng Thịnh chuyển về thi đấu cho FLC Thanh Hóa với hợp đồng kéo dài 3 mùa bóng với khoản lót tay lên tới 6 tỷ đồng.[1][2][3] Sau mùa bóng đầu tiên V-League 2016 khoác áo Thanh Hóa, anh dính chấn thương nặng không thể thi đấu giai đoạn đầu mùa bóng 2017.

Thành phố Hồ Chí Minh

Mùa giải 2019, Hoàng Thịnh chính thức gia nhập Thành phố Hồ Chí Minh sau quãng thời gian chơi bóng ở Thanh Hóa.[4]

Ngày 23 tháng 3 năm 2021, trong trận đấu gặp Hà Nội ở vòng 5 Giải bóng đá vô địch quốc gia 2021 trên sân Thống Nhất, Hoàng Thịnh có pha vào bóng bằng hai chân gây chấn thương nặng cho tiền vệ Đỗ Hùng Dũng.[5] Ngoài việc bị thẻ đỏ trực tiếp, anh còn bị cấm thi đấu đến hết năm 2021, nộp tiền phạt và phải đền bù chi phí chữa trị cho Hùng Dũng.[6][7]