11/1991 - 2/1994
Nghiên cứu sinh khoa Hóa, Trường Đại học Tổng hợp Matxcơva, Cộng hòa Liên bang Nga.
3/1994 - 10/1997
Trưởng phòng nghiên cứu, Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên, Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc gia.
11/1997 - 11/2004
Phó Viện trưởng kiêm Trưởng phòng nghiên cứu, Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên, Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc gia; Phó Giáo sư ngành Hóa học (từ 4/2002).
12/2004 - 11/2007
Phó Chủ tịch Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (từ 7/2007); Viện trưởng kiêm Trưởng phòng nghiên cứu, Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Giáo sư ngành Hóa học (từ 10/2006).
11/2007 - 2/2008
Giáo sư, Phó Chủ tịch Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2/2008 - 9/2008
Giáo sư, Chủ tịch Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
10/2008 - 1/2013
Giáo sư; Bí thư Đảng ủy, Chủ tịch Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Ủy viên Trung ương Đảng khóa XI (từ 1/2011).
2/2013 - 3/2025
Ủy viên Trung ương Đảng: Khóa XI, XII (từ 1/2016), XIII (từ 1/2021); Giáo sư, Bí thư Đảng ủy, Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Belarus (2014); Viện sĩ Liên hiệp các Viện Hàn lâm thế giới (2019); Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Nga (5/2025); Được trao Huân chương Bắc đẩu Bội tinh của Nhà nước Cộng hòa Pháp (2/4/2021).
3/2025 - 2/2026
Ủy viên Trung ương Đảng khóa XIII (đến 1/2026); Ủy viên Ban Chấp hành Đảng bộ Chính phủ nhiệm kỳ 2020-2025; Giáo sư, Viện sĩ, Bí thư Đảng ủy, Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Được trao danh hiệu Đại sứ Khoa học và Giáo dục Liên bang Nga (5/2/2026).
2/2026 - 4/2026
Giáo sư, Viện sĩ, Bí thư Đảng ủy Liên hiệp các hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam nhiệm kỳ 2025-2030; Đại biểu Quốc hội khóa XVI (từ 3/2026).
4/2026
Giáo sư, Viện sĩ, Bí thư Đảng ủy Liên hiệp các hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam; Ủy viên là đại biểu Quốc hội hoạt động kiêm nhiệm của Ủy ban Khoa học, Công nghệ và Môi trường của Quốc hội khóa XVI; Đại biểu Quốc hội khóa XVI.