Trước khi về Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Dương nhận công tác, Trần Thanh Liêm từng kinh qua các chức vụ Phó Chủ tịch UBND huyện Thuận An; Chủ tịch UBND huyện Thuận An, tỉnh Bình Dương và Bí thư Thị ủy Thuận An.[2]

Tại Quyết định 2340/QĐ-TTg ngày 2/12/2013, phê chuẩn việc bầu bổ sung thành viên Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Dương nhiệm kỳ 2011-2016, Thủ tướng quyết định phê chuẩn việc bầu bổ sung chức vụ Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Dương nhiệm kỳ 2011-2016 đối với Trần Thanh Liêm, Ủy viên Thường vụ Tỉnh ủy Bình Dương, Bí thư Thị ủy Thuận An.[3]

Sáng ngày 27/10/2015, Đại hội Đảng bộ tỉnh Bình Dương lần thứ X nhiệm kỳ 2015-2020 đã bầu Trần Thanh Liêm tái đắc cử Phó bí thư Tỉnh ủy Bình Dương.[4][5]

Sáng ngày 10/12/2015, Hội đồng nhân dân tỉnh Bình Dương khóa VIII bầu bổ sung chức danh chủ tịch tỉnh, kết quả: 60/61 đại biểu có mặt tại kỳ họp tín nhiệm bầu Trần Thanh Liêm - Phó Bí thư Tỉnh ủy, Phó Chủ tịch thường trực Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Dương giữ chức Chủ tịch tỉnh Ủy ban nhân dân tỉnh nhiệm kỳ 2011-2016.[6][7]

Ngày 28/12/2015, Thủ tướng Nguyễn Tấn Dũng đã ký quyết định 2409/QĐ-TTg phê chuẩn Trần Thanh Liêm làm Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Dương nhiệm kỳ 2011 - 2016.[8][9]

Ngày 24/6/2016, Hội đồng nhân dân tỉnh Bình Dương khóa IX đã họp kỳ thứ nhất, bầu Trần Thanh Liêm, Phó Bí thư Tỉnh ủy, Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh khóa VIII, tái đắc cử chức vụ Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh.[10]

Ngày 02/10/2020, Hội đồng Nhân dân tỉnh Bình Dương khóa X đã họp kỳ thứ XVI miễn nhiệm chức danh Chủ tịch Ủy ban Nhân dân tỉnh đối với ông Trần Thanh Liêm để nghỉ h ưu theo nguyện vọng cá nhân[11].