Trước khi trở thành Thứ trưởng Bộ GD&ĐT, bà Nguyễn Thị Kim Chi từng trải qua các vị trí công tác như sau:
Tháng 5/1993 - 6/2005: Là giáo viên, Bí thư Đoàn Trường THPT Chuyên Phan Bội Châu, tỉnh Nghệ An; học Cao học Khoa học xã hội và nhân văn tại Trường Đại học Vinh
Tháng 6/2005 - 6/2009: Đảng ủy viên, Phó Hiệu trưởng Trường THPT Chuyên Phan Bội Châu, tỉnh Nghệ An; Đại biểu HĐND tỉnh Nghệ An.
Tháng 6/2009 - 6/2014: Phó Giám đốc Sở GD&ĐT Nghệ An.
Tháng 6/2014 - 3/2019: Ủy viên Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh Nghệ An khóa XVIII, Bí thư Đảng ủy, Giám đốc Sở GD&ĐT Nghệ An; Đại biểu HĐND tỉnh; Nghiên cứu sinh chuyên ngành Quản lý Giáo dục; học chứng chỉ Tiếng Anh B2 tại Trường Đại học Vinh.
Tháng 3/2019 - 10/2020: Ủy viên Ban Chấp hành Đảng bộ tỉnh Nghệ An khóa XVIII, Bí thư Thị ủy Cửa Lò.
Tháng 11/2020- 8/2021: Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy Nghệ An, Bí thư Thị ủy Cửa Lò.
Từ ngày 13/8/2021 đến nay: Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy Nghệ An, Bí thư Đảng ủy Khối các cơ quan tỉnh Nghệ An.
Trước khi bổ nhiệm bà Kim Chi, Bộ GD&ĐT có 3 Thứ trưởng gồm: ông Nguyễn Văn Phúc, bà Ngô Thị Minh và ông Hoàng Minh Sơn.
