Chuyên viên Vụ Các vấn đề chính trị chung (nay là Vụ Các tổ chức quốc tế), Bộ Ngoại giao (10/1982 - 10/1983; 12/1986 - 12/1990); Tùy viên (10/1983 - 12/1986); Bí thư thứ Ba (12/1990 - 6/1993) Phái đoàn đại diện Thường trực Việt Nam tại Liên hợp quốc, New York Hoa Kỳ.

Đi học Thạc sĩ tại Trường Luật quốc tế và Ngoại giao Fletcher, Đại học Tufts, Hoa Kỳ (7/1993-10/1995).

Chuyên viên rồi Trợ lý Vụ trưởng (12/1995 - 02/1998) rồi Phó Vụ trưởng Vụ Các tổ chức quốc tế, Bộ Ngoại giao (3/1998 - 7/1999; 8/2002 - 10/2006); Tham tán Công sứ, Phó Trưởng Phái đoàn đại diện Thường trực Việt Nam tại Liên hợp quốc (7/1999 -7/2002); Quyền Vụ trưởng rồi Vụ trưởng Vụ Các tổ chức quốc tế, Bộ Ngoại giao (10/2006 - 12/2010).

Chuyên gia cấp Bộ của Bộ Ngoại giao về Liên hợp quốc, Giải trừ quân bị, Dân chủ và Nhân quyền (2010); Tham gia các cơ chế liên ngành như: Đại sứ, Chủ tịch Hội nghị Giải trừ quân bị (Geneva, Thụy Sĩ); Phó Chủ tịch Hội đồng Chấp hành UNDP/UNFPA (New York, Hoa Kỳ); Trưởng đoàn Việt Nam tại các cuộc Đối thoại nhân quyền với các nước Hoa Kỳ, Thụy Sĩ, Na Uy, Australia và Liên minh Châu Âu; Giám đốc Dự án quốc gia về nâng cao năng lực thực hiện các điều ước quốc tế và quyền con người mà Việt Nam là thành viên; Phó Giám đốc Cơ quan Quốc gia về thực hiện Công ước cấm vũ khí hóa học; Phó Chủ nhiệm Ủy ban Công tác Phi chính phủ nước ngoài…

Thứ trưởng Bộ Ngoại giao (từ 12/2010).

Được phong hàm Đại sứ bậc II (7/2011).

Thứ trưởng Bộ Ngoại giao, Đại sứ, Trưởng Phái đoàn đại diện thường trực Việt Nam tại Liên hợp quốc (7/2011 - 10/2014).

Thứ trưởng Bộ Ngoại giao.

Phụ trách quan hệ song phương với các nước khu vực Đông Nam Á, Nam Á, Nam Thái Bình Dương; quan hệ với ASEAN - Trưởng SOM ASEAN của Việt Nam.

Kiêm nhiệm: Chủ tịch Ủy ban Quốc gia UNESCO Việt Nam; Ủy viên các Ban Chỉ đạo Tây Nguyên, Tây Nam Bộ.

Ngày 26/01/2016, được bầu tham gia Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa XII.

Thứ trưởng Bộ Ngoại giao, Chủ nhiệm Ủy ban Biên giới Quốc gia.

Phụ trách vấn đề biên giới lãnh thổ; quan hệ với các tổ chức quốc tế; quan hệ song phương với các nước khu vực Đông Bắc Á; ngoại giao văn hóa và UNESCO; công tác luật pháp quốc tế, dân chủ - nhân quyền; hợp tác phát triển tại khu vực sông Mê Kông; thi đua khen thưởng và truyền thống ngoại giao.

Kiêm nhiệm: Bí thư Đảng ủy Ngoài nước (từ 4/2016).

Tham gia các cơ chế liên ngành: Thành viên Tiểu ban Điều lệ và Tiểu ban Văn kiện Đại hội Đảng XIII; Chủ tịch Ủy ban Quốc gia UNESCO Việt Nam; Ủy viên thường trực, Chủ nhiệm Văn phòng Thường trực Ban Chỉ đạo Nhà nước về Biển Đông - Hải đảo; Trưởng đoàn đại biểu Chính phủ trong công tác biên giới với Trung Quốc, Lào, Campuchia; Tổng Thư ký Ủy ban chỉ đạo hợp tác song phương Việt Nam - Trung Quốc; Phó Trưởng Ban Chỉ đạo nhân quyền của Chính phủ; Trưởng đoàn Việt Nam tham gia Cơ chế Rà soát Định kỳ Phổ quát chu kỳ III về nhân quyền; Phó Trưởng Ban Chỉ đạo liên ngành về hợp tác tiểu vùng; Phó Chủ tịch Ủy ban sông Mê Kông Việt Nam; Ủy viên Ban Chỉ đạo Tây Bắc.

Ngày 30/01/2021, được bầu tham gia Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa XIII.

Trưởng Ban Đối ngoại Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam (từ 3/2021).

Tháng 10/2023, được bầu tham gia Ban Bí thư Trung ương Đảng khóa XIII