Từ tháng 10 năm 1988 đến tháng 6 năm 1996, đồng chí Nguyễn Văn Thành lần lượt giữ các chức vụ Ủy viên Ban Thường vụ Quận ủy, Trung tá, Trưởng Công an quận Hồng Bàng, sau đó, chuyển sang công tác hành chính, lần lượt giữ chức Phó Chủ tịch Ủy ban Nnhân dân quận Hồng Bàng, Phó Bí thư Quận ủy, Chủ tịch Ủy ban nhân dân quận Hồng Bàng.

Tháng 7 năm 1996, đồng chí Nguyễn Văn Thành được bầu làm Ủy viên Ban chấp hành Đảng bộ Thành phố Hải Phòng khóa 11, Bí thư Quận ủy, kiêm Chủ tịch Hội đồng nhân dân quận Hồng Bàng, đến tháng 4 năm 2001, đồng chí được bầu làm Ủy viên Ban chấp hành Đảng bộ Thành phố Hải Phòng khóa 12, Ủy viên Ban Thường vụ Thành ủy, Chánh Văn phòng Thành ủy.

Từ tháng 6 năm 2004, đồng chí đảm nhiệm các chức vụ Ủy viên Ban Thường vụ Thành ủy,  Phó Chủ tịch Ủy ban nhân dân thành phố, Phó Chủ tịch Thường trực Ủy ban nhân dân Thành phố; tháng 12 năm 2009, đồng chí được bầu làm Phó Bí thư Thành ủy, Chủ tịch Ủy ban nhân dân thành phố; tháng 12 năm 2010, đồng chí Nguyễn Văn Thành được bầu làm Bí thư Thành ủy Hải Phòng

Ngày 01 tháng 12 năm 2014, đồng chí Nguyễn Văn Thành được đề bạt giữ chức vụ Phó Chánh Văn phòng Trung ương Đảng; ngày 07 tháng 12 năm 2015, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 2188/QĐ-TTg bổ nhiệm đồng chí Nguyễn Văn Thành, Ủy viên Trung ương Đảng, nguyên Phó Chánh Văn phòng Trung ương Đảng giữ chức Thứ trưởng Bộ Công an. Ngày 22/3/2016, đồng chí được Chủ tịch Nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam ký Quyết định thăng quân hàm Thượng tướng.