Tháng 11 năm 1996, sau khi tốt nghiệp trường Báo chí, Đỗ Chí Nghĩa được giữ lại trường làm Giảng viên tập sự Khoa Báo chí của Học viện Báo chí và Tuyên truyền, và chính thức là Giảng viên từ tháng 1 năm 1999.[3] Ông công tác giảng dạy liên tục ở trường, ban đầu ở Khoa Báo chí những năm 1996–2003, chuyển sang Khoa Phát thanh – Truyền hình từ năm 2003, rồi kiêm nhiệm vị trí Tổng Biên tập Thời báo Doanh nhân từ đầu năm 2008. Tháng 10 năm 2011, ông được bổ nhiệm làm Phó Trưởng khoa Phát thanh – Truyền hình, là Bí thư Chi bộ khoa và được bầu làm Đảng ủy viên Học viện Báo chí và Tuyên truyền từ tháng 12 năm 2012. Sau đó, ông là Phó Trưởng khoa phụ trách Khoa Quan hệ công chúng và Quảng cáo từ tháng 6 năm 2014, rồi Trưởng khoa từ tháng 11 cùng năm.[4]

Tháng 5 năm 2015, sau gần 20 năm công tác ở Học viện Báo chí và Tuyên truyền, Đỗ Chí Nghĩa được điều tới Văn phòng Quốc hội, bổ nhiệm làm Bí thư Đảng ủy, Tổng Biên tập Báo Đại biểu Nhân dân, đồng thời là Ủy viên Ban Chấp hành Đảng bộ cơ quan Văn phòng Quốc hội, Phó Trưởng Ban Tuyên giáo Đảng ủy cơ quan này.[5] Bên cạnh đó, ông tham gia tổ chức xã hội, là Ủy viên Ban Chấp hành Hội Nhà báo Việt Nam, Chủ tịch Liên chi hội Nhà báo Văn phòng Quốc hội. Năm 2021, ông được Ủy ban Trung ương Mặt trận Tổ quốc Việt Nam, Ủy ban Thường vụ Quốc hội giới thiệu tham gia ứng cử đại biểu Quốc hội từ Phú Yên,[6] thuộc đơn vị bầu cử số 1 gồm thị xã Đông Hòa, huyện Phú Hòa, Tây Hòa, Sơn Hòa, Sông Hinh,[7] rồi trúng cử Đại biểu Quốc hội khóa XV với tỷ lệ 68,30%.[8][9] Ngày 21 tháng 7 năm 2021, ông được phê chuẩn làm Ủy viên Thường trực Ủy ban Văn hóa, Giáo dục của Quốc hội.[10]