Năm 2006, ông Dương Văn Thái trở thành Thành ủy viên; Ủy viên Ban Thường vụ Thành ủy; Phó Chủ tịch UBND thành phố Bắc Giang.
Sau đó, ông lần lượt đảm nhiệm các chức vụ Tỉnh ủy viên, Phó Bí thư Thành ủy, Chủ tịch UBND thành phố Bắc Giang; Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy, Phó Chủ tịch UBND tỉnh Bắc Giang; Phó Bí thư Tỉnh ủy.
Tháng 10/2020, ông được bổ nhiệm làm Bí thư Tỉnh ủy Bắc Giang, sau đó là Bí thư Đảng đoàn, Chủ tịch HĐND tỉnh Bắc Giang.
Từ 7/2021 tới nay, ông là Ủy viên Trung ương Đảng khóa XIII, Bí thư Tỉnh ủy Bắc Giang; Đại biểu Quốc hội khóa XV và Trưởng Đoàn ĐBQH tỉnh Bắc Giang, Tổ trưởng Tổ Đảng (7/2021), Ủy viên Ủy ban Tài chính, Ngân sách của Quốc hội.
Năm 2022, tỉnh Bắc Giang ban hành Quyết định thành lập Ban chỉ đạo phòng, chống tham nhũng, tiêu cực của tỉnh, ông Thái được bổ nhiệm làm Trưởng Ban Chỉ đạo phòng, chống tham nhũng, tiêu cực của tỉnh.
Tại hội nghị tổng kết công tác lãnh đạo của Tỉnh ủy năm 2023; triển khai nhiệm vụ năm 2024, ông Dương Văn Thái phát biểu nhấn mạnh: "Công tác phòng, chống tham nhũng, tiêu cực được tập trung đẩy mạnh; bám sát sự chỉ đạo của Trung ương, chú trọng các biện pháp phòng ngừa và xử lý kịp thời, nghiêm minh các vụ án, vụ việc tham nhũng, tiêu cực, tạo sự răn đe, cảnh tỉnh, phòng ngừa sai phạm".