Đại sứ Đặng Minh Khôi vào ngành ngoại giao từ năm 1991.

Từ năm 1991 đến năm 2002, ông là Chuyên viên rồi Trưởng phòng Quan hệ, Vụ Trung Quốc (nay là Vụ Đông Bắc Á), Bộ Ngoại giao.

Từ năm 2002 đến năm 2006, ông là Lãnh sự, người thứ hai Tổng Lãnh sự quán Việt Nam tại Quảng Châu, Trung Quốc.

Từ tháng 10 đến tháng 12 năm 2006, ông là Phó Vụ trưởng Vụ Châu Á 1 (nay là Vụ Đông Bắc Á), Bộ Ngoại giao.

Từ tháng 12 năm 2006 đến tháng 5 năm 2010, ông lần lượt giữ các cương vị Tham tán, Tham tán Công sứ rồi Công sứ, Đại sứ quán Việt Nam tại Bắc Kinh, Trung Quốc.

Từ 2010 đến tháng 1 năm 2014, ông là Phó Vụ trưởng, rồi Vụ trưởng Vụ Đông Bắc Á, Bộ Ngoại giao.

Từ tháng 1 năm 2014 đến tháng 9 năm 2014, ông được cử làm Trợ lý Bộ trưởng, kiêm Vụ trưởng Vụ Đông Bắc Á, Bộ Ngoại giao.

Từ tháng 9 năm 2014 đến tháng 10 năm 2015, ông đảm nhiệm chức vụ Thứ trưởng Bộ Ngoại giao.

Từ tháng 10 năm 2015 đến tháng 10 năm 2019, ông đảm nhiệm chức vụ Đại sứ đặc mệnh toàn quyền của Việt Nam tại Trung Quốc.

Sau khi kết thúc nhiệm kỳ Đại sứ, ông trở lại công tác tại Bộ Ngoại giao.

Tháng 02 năm 2020, ông được Thủ tướng Nguyễn Xuân Phúc bổ nhiệm lại chức vụ Thứ trưởng Bộ Ngoại giao, thời hạn bổ nhiệm tính từ ngày 24 tháng 09 năm 2019[3]. Ông cũng được Bộ trưởng Bộ Ngoại giao bổ nhiệm kiêm giữ chức Chủ nhiệm Ủy ban Nhà nước về người Việt Nam ở nước ngoài.