Tháng 8 năm 1999, sau khi tốt nghiệp đại học, Thái Quỳnh Mai Dung được tuyển dụng vào Cơ quan Phát triển Quốc tế Úc (AusAID) – cơ quan hoạt động quốc tế của Chính phủ Úc – làm Phiên dịch viên. Sau đó gần 1 năm, tháng 6 năm 2000, bà chuyển việc làm sang Ngân hàng Phát triển Châu Á (ADB), tiếp tục là Phiên dịch viên và Trợ lý Dự án của Ngân hàng này. Tháng 5 năm 2002, bà được nhận vào Tổ chức Lao động Quốc tế (ILO), là Phiên dịch viên và Thư ký, học ở Brunei cho đến tháng 10 năm 2003 thì bắt đầu là Phiên dịch viên, Thư ký của Cơ quan Phát triển Quốc tế Đan Mạch thuộc Bộ Ngoại giao Đan Mạch, rồi đến tháng 11 năm 2004 thì là Phiên dịch viên, Trợ lý hành chính của Ngân hàng Thế giới tại Việt Nam.[3]

Tháng 7 năm 2005, Thái Quỳnh Mai Dung được tuyển dụng công chức vào Văn phòng Quốc hội, được bổ nhiệm làm Chuyên viên Vụ Kinh tế và Ngân sách, sau đó 2 năm thì chuyển sang làm Chuyên viên Vụ Kinh tế từ tháng 8 năm 2007. Tháng 7 năm 2011, bà được bổ nhiệm làm Phó Vụ trưởng Vụ Kinh tế, giữ chức vụ này 8 năm cho đến tháng 6 năm 2019 thì được điều tới Tổng Liên đoàn Lao động Việt Nam, là Ủy viên Ban Chấp hành, Trưởng ban Đối ngoại,[4] đồng thời là Bí thư Chi bộ Ban Đối ngoại, Ủy viên Ban Chấp hành Đảng bộ, Ủy viên Đoàn Chủ tịch Tổng Liên đoàn Lao động Việt Nam. Năm 2021, bà được Ủy ban Trung ương Mặt trận Tổ quốc Việt Nam,[5] Ủy ban Thường vụ Quốc hội giới thiệu tham gia ứng cử đại biểu quốc hội từ Vĩnh Phúc,[6] bầu cử ở đơn vị bầu cử số 2 gồm huyện Sông Lô, Tam Dương, Tam Đảo, Lập Thạch, Bình Xuyên,[7] rồi trúng cử Đại biểu Quốc hội khóa XV với tỷ lệ 82,81%.[8][9] Ngày 21 tháng 7 năm 2021, bà được phê chuẩn làm Ủy viên Thường trực Ủy ban Đối ngoại của Quốc hội.[10]