Tháng 11 năm 2008, Trịnh Văn Chiến là Tỉnh ủy viên Tỉnh ủy Thanh Hóa, Phó Chủ tịch UBND tỉnh Thanh Hóa.[3]

Sáng ngày 6 tháng 12 năm 2010, trong kỳ họp HĐND tỉnh Thanh Hóa lần thứ 18, khóa 15, ông được bầu giữ chức Chủ tịch UBND tỉnh Thanh Hóa nhiệm kì 2004-2011. Lúc này ông đang là Phó Bí thư Tỉnh ủy, Phó Chủ tịch Thường trực UBND tỉnh Thanh Hóa.[4][5]

Tháng 11/2014, Bộ Chính trị Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam giới thiệu ông Trịnh Văn Chiến - Phó Bí thư Tỉnh ủy Thanh Hóa, Chủ tịch UBND tỉnh Thanh Hóa - giữ chức Bí thư Tỉnh ủy Thanh Hóa, nhiệm kỳ 2010 - 2015 thay ông Mai Văn Ninh được điều động, phân công giữ chức Phó trưởng ban Tuyên giáo Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam.[2]

Ngày 27/11/2014, Ban Thường vụ Tỉnh ủy Thanh Hóa đã tổ chức Hội nghị Ban chấp hành Đảng bộ tỉnh lần thứ 20 (khóa 17). Tại hội nghị, ông Trịnh Văn Chiến được bầu làm Bí thư Tỉnh ủy Thanh Hóa nhiệm kì 2010-2015 với 56/56 phiếu đồng ý.[2]

Sáng ngày 30/12/2014, tại Kỳ họp thứ 12, Hội đồng nhân dân (HĐND) tỉnh Thanh Hóa khóa XVI, ông Trịnh Văn Chiến đã được 100% đại biểu bỏ phiếu bầu vào chức danh Chủ tịch HĐND tỉnh Thanh Hóa nhiệm kỳ 2010 - 2015.

Tháng 9 năm 2015 tại Đại hội Đảng bộ Đảng Cộng sản Việt Nam tỉnh Thanh Hóa lần thứ 18, nhiệm kỳ 2015-2020 ông tái đắc cử chức Bí thư Tỉnh ủy [6].

Tháng 1 năm 2016 tại Đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ XII của Đảng Cộng sản Việt Nam, ông được bầu làm Ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa 12.

Sáng ngày 30/6/2016, tại kỳ họp thứ nhất, Hội đồng nhân dân (HĐND) tỉnh Thanh Hóa khóa XVII, nhiệm kỳ 2016 – 2021 đã bầu Trịnh Văn Chiến giữ chức Chủ tịch HĐND tỉnh nhiệm kỳ 2016 – 2021, với tỷ lệ phiếu bầu 100%.[7]

Ông có công biến bãi biển Sầm Sơn trở nên nổi tiếng.[8]