หลังเรียนจบนายธนาธรเกือบจะได้เดินทางไปเริ่มทำงานด้านการพัฒนาเยาวชนของสหประชาชาติที่ประเทศแอลจีเรียอยู่แล้ว[9] แต่แม่ของเขาโทรศัพท์มาแจ้งอาการป่วยหนักของพ่อซึ่งกำลังจะเข้ารับการผ่าตัดใหญ่เสียก่อน แผนชีวิตที่วางไว้ทั้งหมดพลิกกลับไปอีกขั้วหลังการจากไปของนายพัฒนา จึงรุ่งเรืองกิจ จากที่ไม่เคยคิดและไม่เคยสนใจจะเป็นนักธุรกิจมาก่อนเลยในชีวิต ธนาธรกลับต้องเข้ารับตำแหน่งรองประธานกรรมการบริหารกลุ่มบริษัทไทยซัมมิททันทีด้วยอายุเพียง 23 ปีในขณะนั้น[10]

ตั้งแต่ที่ธนาธรเริ่มเข้าไปบริหารธุรกิจ กลุ่มบริษัทไทยซัมมิทได้เติบโตขึ้นอย่างมาก จากรายได้ 16,000 ล้านบาท[11] เพิ่มขึ้นเป็นรายได้ 80,000 ล้านบาท เขาทำให้ธุรกิจครอบครัวกลายเป็นกลุ่มบริษัทระดับโลกที่มีโรงงานผลิตใน 7 ประเทศยักษ์ใหญ่ทั่วโลก รวมจำนวนพนักงานมากถึงราว 16,000 คน[12][13]

ข้อตกลงทางธุรกิจที่สำคัญ เช่นกรณีที่เกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2548 เมื่อธนาธรได้ดีลเป็นผู้ผลิตตัวถังรถยนต์ให้บริษัทเทสลา (Tesla) บริษัทสัญชาติอเมริกัน มีความเชี่ยวชาญในเรื่องของรถยนต์ไฟฟ้า เป็นจำนวนถึง 500,000 คันต่อปี[14] ข้อตกลงนี้ได้สร้างสถิติใหม่ให้กับยอดขายต่อรายของไทยซัมมิท ซึ่งพุ่งขึ้นไปถึง 7,900 ล้านบาท คิดเป็นผลกำไร 5,980 ล้านบาท[15] และด้วยข้อตกลงซื้อขายนี้เอง ที่ได้ทำให้กลุ่มบริษัทไทยซัมมิทขยายฐานการผลิตกว้างไกลออกไปอีก ด้วยการเปิดโรงงานในสหรัฐอเมริกาและพอถึงปี 2552 ไทยซัมมิทโดยการนำของนายธนาธรก็ได้ตัดสินใจซื้อ โอกิฮาระ (Ogihara) บริษัทสัญชาติญี่ปุ่นผู้ผลิตแบบพิมพ์ชิ้นส่วนยานยนต์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก[16] ซึ่งกำลังประสบภาวะวิกฤตทางการเงินอย่างหนักในขณะนั้น แต่ด้วยการเข้าไปบริหารจัดการเต็มรูปแบบภายใต้การนำของนายธนาธร โอกิฮาระก็ผ่านพ้นวิกฤต และกลับมามีผลประกอบการที่มั่นคง เลี้ยงตัวเองได้และมีกำไรในที่สุด[17]

นอกจากธุรกิจที่ดำเนินไปด้วยดี ธนาธรยังได้รับตำแหน่งประธานสภาอุตสาหกรรมจังหวัดนครนายก ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2550 – 2554[18] และเขายังเป็นคนที่อายุน้อยที่สุดที่ได้รับเลือกให้เป็นเลขาธิการสมาคมผู้ผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ไทย ระหว่างปีพ.ศ. 2550 – 2553 ธนาธรยังมีรายชื่ออยู่ในบอร์ดพัฒนากลุ่มอุตสาหกรรม ของสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติอีกด้วย[19]

ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2561 หลังจากอยู่ในตำแหน่งรองประธานกรรมการบริหาร กลุ่มบริษัทไทยซัมมิทมาเป็นเวลา 16 ปีเต็ม ธนาธรประกาศลาออกอย่างเป็นทางการเพื่อทำงานทางการเมืองภายใต้บทบาทหัวหน้าพรรคอนาคตใหม่[20] ซึ่งเขาเคยให้สัมภาษณ์ว่า จะยึดมั่นงานการเมืองอย่างเดียวนับจากนี้ และจะไม่กลับไปทำธุรกิจอีก[21]