ศ.ชัย มุกตพันธุ์ เริ่มรับราชการเป็นอาจารย์ตรี คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เมื่อปี พ.ศ. 2482 ได้รับการแต่งตั้งเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ ในปี พ.ศ. 2502 และได้รับโปรดเกล้าแต่งตั้งเป็นรองศาสตราจารย์ ในปี พ.ศ. 2504 ต่อมาในปี พ.ศ. 2515 ได้รับการแต่งตั้งเป็นคณบดีคณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย จากนั้นในปี พ.ศ. 2518 ได้รับการแต่งตั้งเป็นอธิบดีกรมอาชีวศึกษา กระทรวงศึกษาธิการ