Ông đã từng giữ chức Trưởng phòng Cảnh sát Hình sự, rồi Phó Giám đốc Công an thành phố Hà Nội; được phong danh hiệu Anh hùng lực lượng vũ trang nhân dân Việt Nam lúc 32 tuổi (ngày 17/8/1990).

Đỗ Kim Tuyến đã trực tiếp điều tra 50 vụ tội phạm giết người nghiêm trọng, bắt 21 tội phạm (trong đó có 15 tội phạm bị tử hình), khám phá 101 vụ cướp có vũ khí, thu 47 súng, 10 lựu đạn, 30 súng lê AK. Trong 5 năm (1986-1990) ông đã trực tiếp chỉ đạo đội trọng án khám phá 2042 vụ trọng án, trong đó 270 vụ án giết người, bắt 421 tội phạm, khám phá 301 vụ cướp tài sản riêng của công dân, bắt 402 tội phạm, 158 vụ hiếp dâm, bắt 268 tội phạm.[2]

Cuối năm 2009, Chính phủ cơ cấu lại tổ chức của Bộ Công an và thành lập Tổng cục Cảnh sát Phòng chống tội phạm, ông đã được điều động về giữ chức Phó Tổng cục trưởng kiêm Cục trưởng Cục CSĐT tội phạm về TTXH (C45).