Từ 6/1984 - 2/1991: Công tác tại Ban Chỉ huy Quân sự phường 7, quận 1. Sau đó lần lượt giữ các chức vụ: Phó Bí thư, Bí thư Đoàn Thanh niên Cộng sản phường 7, quận 1; Bí thư Đoàn phường Đa Kao, quận 1; Đại biểu Hội đồng nhân dân phường 7, quận 1 khóa V (1985-1987), khóa VI (1987-1989); Đại biểu Hội đồng nhân dân phường Đa Kao, quận 1 khóa VII (1989-1994).

Từ 3/1991 - 7/1998: Ủy viên Ban Thường vụ Quận đoàn; Ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đoàn Thanh niên Cộng sản Hồ Chí Minh khóa VIII; Đại biểu Hội đồng nhân dân quận 1 khóa VII (1994-1999); khóa IX (2004-2009).

Từ 8/1998 - 5/2009: Quận ủy viên, Chánh Văn phòng Quận ủy Quận 1 (1998-2002). Tháng 12 năm 2002, ông giữ chức vụ Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân Quận 1, từ năm 2004 được bầu vào Ban Thường vụ Quận ủy Quận 1.

Từ 6/2009 - 2/2014: Ông lần lượt giữ các chức vụ Phó Bí thư Thường trực Quận ủy Quận 1; Tháng 1 năm 2010 là Chủ tịch Ủy ban nhân dân Quận 1. Tháng 10 năm 2010, ông được bầu vào Ban chấp hành Đảng bộ Thành phố Hồ Chí Minh khóa IX, được phân công giữ chức vụ Bí thư Quận ủy Quận 1 từ 9/2013 - 2/2014.

Từ 3/2014 - 9/2015: Chánh văn phòng Thành ủy Thành phố Hồ Chí Minh.

Từ 10/2015 - 4/2016: Ủy viên Ban Thường vụ Thành ủy, Chủ nhiệm Ủy ban Kiểm tra Thành ủy.

Ngày 21/4/2016, ông được bầu giữ chức vụ Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân Thành phố Hồ Chí Minh.[5][6]

Chiều ngày 28/6/2016, kỳ họp thứ nhất Hội đồng nhân dân Thành phố Hồ Chí Minh khóa IX đã bầu Trần Vĩnh Tuyến tiếp tục giữ chức vụ phó chủ tịch Ủy ban nhân dân Thành phố nhiệm kỳ 2016-2021.[7]

Ông hiện là Trưởng ban điều hành đề án "Thành phố thông minh" của Thành phố Hồ Chí Minh.[8]