Tháng 4 năm 2002, sau khi hoàn thành quá trình học tập, Vi Đức Thọ được tuyển dụng công chức vào Ủy ban nhân dân tỉnh Sơn La, bổ nhiệm làm Chuyên viên Văn phòng Sở Xây dựng tỉnh. Ông công tác liên tục thời gian dài ở đây, lần lượt là Chuyên viên, Chuyên viên chính, Phó Chánh Văn phòng rồi Chánh Văn phòng Sở Xây dựng Sơn La.[2] Tháng 9 năm 2012, sau khi trở về từ Anh, ông được bổ nhiệm làm Phó Giám đốc Sở Xây dựng Sơn La. Đến tháng 11 năm 2014, ông được điều về huyện Sông Mã, chỉ định vào Ban Thường vụ Huyện ủy, nhậm chức Phó Bí thư Huyện ủy, Chủ tịch Ủy ban nhân dân huyện. Tại Đại hội Đảng bộ tỉnh Sơn La lần thứ XIV, nhiệm kỳ 2015–2020,[3] ông được bầu vào Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh, rồi sau đó được phân công làm Bí thư Huyện ủy huyện Sông Mã.[2]

Vào ngày 7 tháng 5 năm 2019, Vi Đức Thọ được Tỉnh ủy giới thiệu, rồi được bầu làm Chủ tịch Ủy ban Mặt trận Tổ quốc Việt Nam tỉnh Sơn La, Bí thư Đảng đoàn.[4][5] Sau đó, ngày 26 tháng 8 cùng năm, ông được bầu bổ sung vào Ban Thường vụ Tỉnh ủy Sơn La, tiếp tục tái đắc cử Thường vụ Tỉnh ủy tại Đại hội Đảng bộ tỉnh Sơn La lần thứ XV,[6] nhiệm kỳ 2020–2025.[7] Năm 2021, ông ứng cử đại biểu quốc hội từ Sơn La, bầu cử ở đơn vị bầu cử số 3 gồm huyện Vân Hồ, Mộc Châu, Phù Yên, Bắc Yên,[8] rồi trúng cử Đại biểu Quốc hội khóa XV với tỷ lệ 83,56%.[9][10] Trong nhiệm kỳ này, ông được phân công làm Ủy viên Ủy ban Xã hội của Quốc hội.[1]