Trong quá trình công tác, Phạm Ngọc Thưởng đã đảm nhiệm các chức vụ: Hiệu trưởng trường Cao đẳng Sư phạm Lạng Sơn, Giám đốc Sở Giáo dục & Đào tạo tỉnh, Bí thư huyện ủy Chi Lăng, Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Lạng Sơn.[3]

Chiều ngày 10 tháng 12 năm 2015, tại kỳ họp thứ 12, Hội đồng nhân dân (HĐND) tỉnh Lạng Sơn đã bầu Phạm Ngọc Thưởng, nguyên Bí thư huyện ủy Chi Lăng, giữ chức Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Lạng Sơn, nhiệm kỳ 2011 - 2016.[4]

Ngày 21 tháng 4 năm 2016, Ban chấp hành đảng bộ tỉnh Lạng Sơn đã họp và bầu ông Phạm Ngọc Thưởng giữ chức vụ Phó Bí thư Tỉnh ủy nhiệm kỳ 2015-2020.[5]

Sáng ngày 22 tháng 4 năm 2016, Hội đồng nhân dân tỉnh Lạng Sơn khóa XV, nhiệm kỳ 2011-2016 họp kỳ thứ 13 bầu ông Phạm Ngọc Thưởng giữ chức vụ Chủ tịch Ủy ban nhân dân Lạng Sơn nhiệm kỳ 2011 - 2016, với 40/45 phiếu đồng ý, đat tỷ lệ 78,43%.[6][7]

Ngày 30 tháng 6 năm 2016, Hội đồng nhân dân tỉnh Lạng Sơn khóa XVI, nhiệm kỳ 2016-2021 đã bầu Phạm Ngọc Thưởng tái đắc cử chức vụ Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh nhiệm kỳ 2016-2021, với 56/58 phiếu bầu tán thành, đạt tỉ lệ 96,5%.[8][9][10]

Ngày 13 tháng 2 năm 2020, ông được được Thủ tướng điều động làm Thứ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo.[11][12]