Đoàn Hồng Phong từng giữ các chức vụ: Phó Giám đốc Sở Tài chính Nam Định; Giám đốc Sở Tài chính Nam Định; Bí thư Huyện ủy Ý Yên, tỉnh Nam Định; Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy, Phó Chủ tịch UBND tỉnh Nam Định; Phó Bí thư Tỉnh ủy khóa XVIII, Chủ tịch UBND tỉnh Nam Định.

Năm 2008, ông được chuyển sang làm Bí thư Huyện ủy Ý Yên tỉnh Nam Định, Tỉnh ủy viên Tỉnh ủy Nam Định. Một năm sau, ông được bổ nhiệm làm Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Nam Định.

Sáng 23 tháng 6 năm 2014, Hội đồng nhân dân tỉnh Nam Định khóa XVII nhiệm kỳ 2011-2016 đã bầu ông Đoàn Hồng Phong, Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy, Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Nam Định giữ chức vụ Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh thay người tiền nhiệm là ông Nguyễn Văn Tuấn sẽ nghỉ chế độ từ ngày 1/7/2014.[5] Ngày 26 tháng 6 năm 2014, Thủ tướng phê chuẩn kết quả bầu cử ông làm Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Nam Định.

Chiều ngày 24/9/2015, Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh Nam Định khóa XIX đã họp phiên thứ nhất bầu Ban Thường vụ Tỉnh ủy khóa XIX, bầu các chức danh chủ chốt. Kết quả, Đoàn Hồng Phong, Phó Bí thư Tỉnh ủy khóa XVIII, Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Nam Định được bầu làm Bí thư Tỉnh ủy tỉnh Nam Định khóa XIX, nhiệm kỳ 2015-2020.[3]