Năm 2006, ông Hùng được điều động sang Văn phòng Chính phủ làm cán bộ Vụ Dầu khí rồi trở lại PVN làm Phó trưởng ban Chế biến dầu khí vào năm 2007.
Sau đó, ông Hùng được bổ nhiệm nhiều vị trí lãnh đạo như Phó tổng giám đốc Công ty Liên doanh hóa dầu Long Sơn, Trưởng ban Quản lý dự án cụm khí điện đạm Cà Mau, Tổng giám đốc Công ty TNHH MTV Phân bón dầu khí Cà Mau (PVCFC). Ông Hùng từng phụ trách các lĩnh vực như công nghiệp lọc hóa dầu, hóa chất, nhiên liệu sinh học, công nghiệp khí gồm các dự án điện khí.
Từ tháng 10/2013 đến tháng hết tháng 6/2019, ông Hùng giữ vị trí Phó tổng giám đốc PVN. Từ 1/7/2019 đến khi được bổ nhiệm giữ vị trí Chủ tịch Hội đồng thành viên PVN, ông Hùng giữ chức Thành viên HĐTV, Tổng giám đốc PVN.
Về kết quả kinh doanh, trong năm 2023, PVN đã hoàn thành vượt mức hầu hết các nhiệm vụ, chỉ tiêu được Chính phủ, Ủy ban Quản lý vốn Nhà nước tại doanh nghiệp giao, nhiều chỉ tiêu quan trọng tăng trưởng so với năm 2022.
Trong đó, các chỉ tiêu tài chính của PVN đã hoàn thành kế hoạch cả năm sớm từ 2 đến 5 tháng. Tổng doanh thu toàn Petrovietnam năm 2023 ước đạt 940,5 nghìn tỷ đồng, vượt 39% kế hoạch năm, tăng 1,0% so với năm 2022. Đây cũng là mức doanh thu kỷ lục của Tập đoàn từ trước đến nay. Nộp ngân sách nhà nước toàn Tập đoàn ước đạt 151,8 nghìn tỷ đồng.