Tháng 7 năm 1999, sau khi tốt nghiệp Kinh tế quốc dân ở Hà Nội, Đoàn Anh Dũng về Nghệ An và bắt đầu sự nghiệp của mình ở cơ quan nhà nước thuộc tỉnh này. Trong giai đoạn 2002–06, ông công tác ở Bưu điện và Sở Thông tin – Truyền thông tỉnh Nghệ An, đến tháng 6 năm 2006 thì được điều tới Ủy ban Kiểm tra Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam làm kiểm tra viên.[2] Sau đó, ông liên tục ông tác ở Vụ Tổng hợp của Ủy ban Kiểm tra Trung ương, lần lượt là kiểm tra viên chính, kiểm tra viên cao cấp, Phó phòng, Trưởng phòng Thư ký, Phó Vụ trưởng rồi Vụ trưởng Vụ Tổng hợp với chức năng tham mưu tổng hợp cho công tác thực hiện các nhiệm vụ, quyền hạn về kiểm tra, giám sát và thi hành kỷ luật trong Đảng của Ủy ban. Trong thời gian này, ông cũng là Thư ký Chủ nhiệm Ủy ban Kiểm tra Trung ương là Ủy viên Bộ Chính trị, Bí thư Ban Bí thư Trần Cẩm Tú – chính trị gia cùng quê Hà Tĩnh với mình. Tháng 1 năm 2021, Đoàn Anh Dũng là đại biểu tham dự Đại hội Đảng Cộng sản Việt Nam lần thứ XIII, được bầu làm 1 trong 19 Ủy viên Ủy ban Kiểm tra Trung ương khóa XIII.[3]

Vào tháng 11 năm 2022, Đoàn Anh Dũng được miễn nhiệm vị trí Ủy viên Ủy ban Kiểm tra Trung ương,[4] được điều về tỉnh Bình Thuận,[5][6] chỉ định vào Ban Thường vụ Tỉnh ủy bởi Ban Bí thư Trung ương Đảng, nhậm chức Phó Bí thư Tỉnh ủy Bình Thuận vào ngày 14 tháng 11.[1][7] Ông là cán bộ được giới thiệu để bầu làm Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Thuận, được điều động về địa phương cùng thời điểm với Thứ trưởng Bộ Tài chính Tạ Anh Tuấn[8] ở tỉnh Phú Yên để thay thế cho các chủ tịch tỉnh là Lê Tuấn Phong và Trần Hữu Thế bị kỷ luật Đảng, xin thôi chức và được miễn nhiệm.[9] Ngày 18 tháng 11, tại kỳ họp thứ 11 của Hội đồng nhân dân tỉnh Bình Thuận khóa XI, ông chính thức được bầu làm Chủ tịch tỉnh nhiệm kỳ 2021–26 với tỷ lệ 44/46 đại biểu đồng ý.[10]