- Tháng 9/1985 - 9/1997: Giáo viên Trường THCS thị trấn Cổ Phúc, huyện Trấn Yên, tỉnh Yên Bái; Cán bộ chỉ đạo chuyên môn Phòng Giáo dục-Đào tạo huyện Trấn Yên, tỉnh Yên Bái.

- Tháng 9/1997 - 12/1999: Phó trưởng phòng Giáo dục - Đào tạo huyện Trấn Yên, tỉnh Yên Bái

- Tháng 12/1999 - 11/2000: Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân huyện Trấn Yên, tỉnh Yên Bái.

- Tháng 11/2000 - 2/2002: Ủy viên Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh Yên Bái khóa XV, Phó Bí thư Tỉnh đoàn thanh niên Yên Bái.

- Tháng 2/2002 - 1/2006: Ủy viên Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh Yên Bái khóa XV, Ủy viên Ban Thường vụ Trung ương Đoàn thanh niên khóa VII, Bí thư Tỉnh đoàn Yên Bái.

- Tháng 1/2006 - 4/2008: Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy khóa XVI, Trưởng ban Tuyên giáo Tỉnh ủy Yên Bái.

- Tháng 4/2008 - 4/2011: Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy (khóa XVI, XVII), Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Yên Bái.

- Tháng 4/2011 - 6/2014: Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy Yên Bái khóa XVII, Bí thư Thành ủy Yên Bái

- Tháng 6/2014 đến 20/4/2015: Phó Bí thư Tỉnh ủy Yên Bái khóa XVII

- Ngày 20/4/2015: bà được kỳ họp thứ 13 (bất thường) Hội đồng nhân dân tỉnh khóa XVII bầu giữ chức Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Yên Bái.

- Ngày 26/1/2016: Tại Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ XII tại Hà Nội, bà lần đầu tiên được bầu làm Ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa XII.

- Ngày 14/9/2016: Tại  Hội nghị Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh lần thứ 9, khóa XVIII, nhiệm kỳ 2015 - 2020 được bầu giữ chức Bí thư Tỉnh ủy Yên Bái nhiệm kỳ 2015 - 2020[2], sau gần 1 tháng khi Bí thư tỉnh ủy Phạm Duy Cường bị bắn chết tại phòng làm việc[3].

Chiều ngày 8 tháng 2 năm 2017, Hội đồng nhân dân tỉnh Yên Bái tổ chức kỳ họp bất thường thứ 4, khóa 18, thông qua nghị quyết miễn nhiệm chức danh Chủ tịch UBND tỉnh với bà Phạm Thị Thanh Trà (Bí thư Tỉnh uỷ), đồng thời bầu bà giữ chức Chủ tịch Hội đồng nhân dân tỉnh khóa 18, nhiệm kỳ 2016 - 2021.[4]