Tháng 11/1992 đến 12/1993, ông là chuyên viên Ban Tuyên giáo Huyện ủy Quảng Xương, Thanh Hóa.

Tháng 1/1994 đến 8/1994, ông làm thư ký tổng hợp, Văn phòng Huyện ủy Quảng Xương.

Tháng 8/1994 đến 9/1999, Phó Chánh Văn phòng Huyện ủy Quảng Xương.

Tháng 9/1999 đến 12/2001, Chuyên viên Văn phòng tổng hợp, Văn phòng Tỉnh ủy, Thư ký Bí thư Tỉnh ủy Thanh Hóa.

Tháng 1/2002 đến 12/2005, Phó Chánh Văn phòng Tỉnh ủy, Thư ký Bí thư Tỉnh ủy Thanh Hoá.

Tháng 12/2005 đến 8/2006, Tỉnh ủy viên, Phó Chánh Văn phòng Tỉnh ủy.

Tháng 8/2006 đến 4/2009, ông Hưng làm Chánh Văn phòng Tỉnh ủy, Bí thư Đảng uỷ Văn phòng Tỉnh uỷ, ủy viên Ban Chấp hành Đảng ủy khối các cơ quan tỉnh Thanh Hóa.

Tháng 5/2009 đến 8/2010, Tỉnh ủy viên, Bí thư Huyện ủy Nông Cống.

Tháng 8/2010 đến 10/2010, ông làm Phó trưởng Thường trực Ban Tuyên giáo Tỉnh ủy Thanh Hóa.

Tháng 11/2010 đến 5/2015, Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy, Trưởng Ban Tuyên giáo Tỉnh ủy.

Tháng 5/2015 đến 7/2016, ông giữ chức vụ Phó Bí thư Thường trực Tỉnh ủy Thanh Hóa.

Tháng 7/2016 đến 10/2020, ông Đỗ Trọng Hưng làm Phó Bí thư Thường trực Tỉnh ủy Thanh Hóa, Trưởng đoàn đại biểu quốc hội khóa XIV, thành viên ủy ban tài chính ngân sách của quốc hội khóa XIV, Đại biểu Hội đồng nhân dân tỉnh Thanh Hoá khoá XVII.

Chiều ngày 27 tháng 10 năm 2020, Hội nghị lần thứ nhất Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh Thanh Hóa khóa XIX đã tín nhiệm bầu ông giữ chức Bí thư Tỉnh ủy Thanh Hóa nhiệm kỳ 2020-2025 với số phiếu tuyệt đối 65/65, đạt 100%.[3]