จิรายุ เริ่มต้นทำงานครั้งแรกในฐานะนักเศรษฐศาสตร์ ต่อมาได้ดำรงตำแหน่ง คณบดี คณะพัฒนาการเศรษฐกิจ สถาบันบัณฑิตพัฒนบริหารศาสตร์นายจิรายุได้ดำรงตำแหน่งทางการเมืองครั้งแรกเป็น รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงอุตสาหกรรม ในรัฐบาล พลเอกเปรม ติณสูลานนท์ ตั้งแต่วันที่ 11 มีนาคม พ.ศ. 2524 [7][8] ต่อมาได้ตำแหน่งรัฐมนตรีว่าการกระทรวงอุตสาหกรรม สืบแทนนายอบ วสุรัตน์ ซึ่งลาออกจากตำแหน่ง เมื่อวันที่ 19 กันยายน พ.ศ. 2528 [9] และในรัฐบาลถัดมา ได้ดำรงตำแหน่งรัฐมนตรีประจำสำนักนายกรัฐมนตรี ก่อนจะลาออกจากตำแหน่งเมื่อเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2530 [10] และได้รับโปรดเกล้าให้ดำรงตำแหน่ง ผู้อำนวยการสำนักงานทรัพย์สินส่วนพระมหากษัตริย์ จนถึง 11 มีนาคม พ.ศ. 2561[6]ปัจจุบันดำรงตำแหน่ง องคมนตรี

นอกจากนี้ นายจิรายุ อิศรางกูร ณ อยุธยา ยังดำรงตำแหน่งเป็น ประธานกรรมการบริษัทและกรรมการกิจการสังคมเพื่อการพัฒนาอย่างยั่งยืนปูนซีเมนต์ไทย กรรมการมูลนิธิมหามกุฏราชวิทยาลัย [11] นายกสภาสถาบันบัณฑิตพัฒนบริหารศาสตร์ ประธานคณะอนุกรรมการขับเคลื่อนปรัชญาของเศรษฐกิจพอเพียง [12]

อดีตกรรมการ และประธานกรรมการสรรหา ค่าตอบแทน และบรรษัทภิบาล[13]ธนาคารไทยพาณิชย์[14]อดีตนายกกรรมการ ธนาคารไทยพาณิชย์ จำกัด (มหาชน)

อดีตนายกสมาคมศูนย์วิชาการไทย – ออสเตรเลีย[15]