Năm 1974, ông đỗ vào Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội, chuyên ngành Kinh tế học chính trị. Sau 3 năm nhập ngũ, từ năm 1980 đến năm 1981, ông là cán bộ nghiên cứu Viện Kinh tế học, Ủy ban Khoa học xã hội Việt Nam.[3]
Năm 1988, ông sang Liên bang Nga làm nghiên cứu sinh tại Viện Kinh tế Thế giới và Quan hệ Quốc tế (IMEMO) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga, bảo vệ luận án Tiến sĩ Kinh tế có tiêu đề "Развитие внешнеэкономических связей Вьетнама со странами Азиатско-Тихоокеанского региона на этапе реформ" (Sự phát triển quan hệ kinh tế đối ngoại của Việt Nam với các nước Châu Á - Thái Bình Dương trong giai đoạn đổi mới) vào năm 1993[4] rồi làm cộng tác viên khoa học cho Viện này cho đến khi về nước năm 1995.[3]
Từ 2007 đến 2011, ông được bổ nhiệm làm Phó Chủ tịch Viện Khoa học xã hội Việt Nam.[2]
Từ 2011, ông làm Chủ tịch Viện Khoa học xã hội Việt Nam (nay là Viện Hàn lâm Khoa học xã hội Việt Nam).[2]
Tháng 4/2016, ông thôi giữ chức Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học xã hội Việt Nam để giữ chức Giám đốc Học viện Chính trị Quốc gia Hồ Chí Minh.[5]
Ngày 6 tháng 10 năm 2017, tại Hội nghị Trung ương 6, Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa XII đã bầu bổ sung Nguyễn Xuân Thắng làm Ủy viên Ban Bí thư.[6]
Ngày 14 Tháng 12 năm 2017 ông được Bộ chính trị phân công phụ trách Hội đồng Lý luận Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam trong thời gian Đinh Thế Huynh, Thường trực Ban Bí thư, Chủ tịch Hội đồng Lý luận Trung ương nghỉ điều trị bệnh.
Ông là ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa XII, khóa XI.[2]
