Học Đại học ngành Vật lý tại trường Đại học Sư phạm Hà Nội I (1987-1991). Chuyển tiếp học Cao học ngành Vật lý tại trường Đại học Sư phạm Hà Nội I (1992-1994); Bảo vệ luận án Thạc sĩ (5/1994); Chuyển tiếp làm Nghiên cứu sinh ngành Vật lý tại trường Đại học Sư phạm Hà Nội I; Giảng dạy tại trường THPT Trần Phú Hà Nội (1993-1997)

Giảng dạy tại bộ môn Vật lý Lý thuyết, bộ môn Vật lý Tin học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội; bảo vệ luận án Tiến sĩ (1998), sau đó được bổ nhiệm chức danh Phó Giáo sư (2007); đã kinh qua các chức vụ: Bí thư Đoàn trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Ủy viên Ban Thường vụ Thành đoàn Hà Nội khóa XII; Phó Trưởng Phòng Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Bí thư Đảng ủy, Phó Giám đốc Học viện Thanh Thiếu niên Việt Nam, Trung ương Đoàn TNCS Hồ Chí Minh; Ủy viên Ban Chấp hành Đảng bộ Trung ương Đoàn (6/2009); Phó Chủ tịch Trung ương Hội Liên hiệp Thanh niên Việt Nam, Chủ tịch Hội đồng Huấn luyện Trung ương Hội (2010-2011); Đại biểu Quốc hội khóa XIII (trúng cử tại cuộc bầu cử Quốc hội 5/2011)

Đại biểu Quốc hội khóa XIII; Ủy viên Thường trực Ủy ban Văn hóa, Giáo dục, Thanh thiếu niên và Nhi đồng của Quốc hội khóa XIII

Phó Chủ nhiệm Văn phòng Quốc hội; Đại biểu Quốc hội khóa XIII; Ủy viên Ủy ban Văn hóa, Giáo dục, Thanh thiếu niên và Nhi đồng của Quốc hội khóa XIII

Ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa XII (trúng cử tại Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ XII, 1/2016); Phó Chủ nhiệm Ủy ban Văn hóa, Giáo dục, Thanh niên, Thiếu niên và Nhi đồng của Quốc hội

Ủy viên Trung ương Đảng khóa XII, Ủy viên Đảng đoàn Quốc hội; Ủy viên Ủy ban Thường vụ Quốc hội; Chủ nhiệm Ủy ban Văn hóa, Giáo dục, Thanh niên, Thiếu niên và Nhi đồng của Quốc hội khóa XIII

Ủy viên Trung ương Đảng khóa XII. Đại biểu Quốc hội khóa XIV, Ủy viên Đảng đoàn Quốc hội, Ủy viên Ủy ban Thường vụ Quốc hội, Trưởng ban Dân nguyện thuộc Ủy ban Thường vụ Quốc hội khóa XIV; Phó Chủ tịch Nhóm nữ Đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa XIV; Chủ tịch Nhóm Nghị sĩ hữu nghị Việt Nam-Canada

Ủy viên Trung ương Đảng XII, XIII, Đại biểu Quốc hội khóa XIV, XV; Bí thư Tỉnh ủy Tỉnh Thái nguyên, Trưởng đoàn Đại biểu Quốc hội tỉnh Thái nguyên; Đại biểu Hội đồng nhân dân khóa XIV, Bí thư Đảng ủy Quân sự tỉnh Thái Nguyên; Ủy viên Ban chấp hành Đảng bộ Quân khu I. Phó Chủ tịch Nhóm nữ Đại biểu Quốc hội Việt Nam khóa XV

Quốc hội bầu bà Nguyễn Thanh Hải giữ chức Ủy viên Ủy ban Thường vụ Quốc hội khóa XV. Chủ tịch Quốc hội Trần Thanh Mẫn ký ban hành Nghị quyết về việc bổ nhiệm chức vụ Trưởng Ban Công tác đại biểu Quốc hội thuộc Ủy ban Thường vụ Quốc hội khóa XV.