Năm 2016, bà Nguyễn Thị Xuân được bổ nhiệm làm Phó Giám đốc Công an tỉnh Đắk Lắk. Tháng 11/2019, bà Xuân được điều động từ Phó Giám đốc Công an tỉnh Đắk Lắk làm Phó Cục trưởng Cục Pháp chế và cải cách Hành chính, Tư Pháp - Bộ Công an.
Sau đó, bà được biệt phái về công tác tại Ủy ban Quốc phòng - An ninh (Quốc hội).
Nghị quyết tiếp nhận số 916 của Ủy ban Thường vụ Quốc hội, bà Xuân được phê chuẩn giữ chức Ủy viên Thường trực Ủy ban Quốc phòng - An ninh của Quốc hội khóa XIV từ ngày 1/4/2020. Tháng 6/2021, Hội đồng bầu cử Quốc gia công bố bà Nguyễn Thị Xuân trúng cử Đại biểu Quốc hội khóa XV.
Thiếu tướng Nguyễn Thị Xuân hiện cũng là Phó Chủ tịch Nhóm nghị sĩ hữu nghị Việt Nam - Đức (11/2021).
Như vậy, đây là lần thứ 2, bà Nguyễn Thị Xuân làm Phó Giám đốc Công an tỉnh Đắk Lắk.