ชัยเกษม นิติสิริ เริ่มรับราชการเป็นอัยการผู้ช่วย จังหวัดสมุทรสาคร[2] อัยการประจำกอง กองคดี และได้รับการเลื่อนตำแหน่งเรื่อยมากระทั่งเคยดำรงตำแหน่ง อัยการจังหวัดภูเก็ต เป็นอธิบดีอัยการฝ่ายคดีทรัพย์สินทางปัญญาและการค้าระหว่างประเทศ เป็นอธิบดีอัยการฝ่ายคดีอัยการสูงสุด เป็นอธิบดีอัยการฝ่ายปรึกษา พ.ศ. 2546-พ.ศ. 2550ดำรงตำแหน่งรองอัยการสูงสุด สำนักงานอัยการสูงสุดและตำแหน่งสูงสุด คือ อัยการสูงสุด ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2550[3]ในขณะที่ดำรงตำแหน่งอัยการสูงสุดได้รับตำแหน่งกรรมการและกรรมการตรวจสอบ บริษัท ปตท. จำกัด (มหาชน)กรรมการและประธานกรรมการตรวจสอบ บริษัท การบินไทย จำกัด (มหาชน) กรรมการบริษัท ท่าอากาศยานไทย จำกัด (มหาชน)

นายชัยเกษม นิติสิริ ได้รับพระบรมราชโองการโปรดเกล้าฯ แต่งตั้งเป็นศาสตราจารย์พิเศษ ในสาขาวิชานิติศาสตร์ คณะนิติศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ตั้งแต่วันที่ 30 กรกฎาคม พ.ศ. 2552[4]ต่อมาในปี พ.ศ. 2554และพ.ศ. 2555 นายชัยเกษม นิติสิริ ได้รับตำแหน่งในรัฐบาลยิ่งลักษณ์ ชินวัตร หลายตำแหน่งเช่นประธานสำนักงานคณะกรรมการกำกับหลักทรัพย์และตลาดหลักทรัพย์คณะกรรมการคดีพิเศษ กรมสอบสวนคดีพิเศษกรรมการตรวจสอบ บริษัท ปตท. สำรวจและผลิตปิโตรเลียมกรรมการ คณะที่ 3 สำนักงานคณะกรรมการกฤษฎีกา[5]

มีการวิจารณ์จากสื่อมวลชนว่ารัฐบาลยิ่งลักษณ์ ชินวัตร พยายามที่จะตอบแทนตำแหน่งให้เนื่องจากในสมัยที่นาย ชัยเกษม นิติสิริ ดำรงตำแหน่งอัยการสูงสุดได้มีคำสั่งไม่ฟ้องคดีที่คณะกรรมการตรวจสอบการกระทำที่ก่อให้เกิดความเสียหายแก่รัฐ[6] ฟ้องร้อง พ.ต.ท.ดร.ทักษิณ ชินวัตร อดีตนายกรัฐมนตรีและยังเป็นหนึ่งในฐานะกรรมการกฤษฎีกาที่ได้ร่วมทำคำวินิจฉัยเรื่องเสร็จที่ 568-569/2549 เกี่ยวกับโครงการสลากพิเศษแบบเลขท้าย 2 ตัว 3 ตัว[7]รวมทั้งสั่งไม่ฟ้อง การทุจริตในโครงการท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ เนื่องจากเขาได้รับแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีว่าการกระทรวงยุติธรรม และตำแหน่ง ประธานกรรมการ สำนักงานคณะกรรมการกำกับหลักทรัพย์และตลาดหลักทรัพย์ ในรัฐบาลนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร[8] เมื่อวันที่ 30 มิถุนายน พ.ศ. 2556

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2557 เขาได้สมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคเพื่อไทย ลำดับที่ 5[9] แต่การเลือกตั้งครั้งนั้นเป็นโมฆะ ตามคำวินิจฉัยของศาลรัฐธรรมนูญ

ภายหลังจากการพ้นจากตำแหน่งของนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร นายกรัฐมนตรี ได้มีการประกาศกฏอัยการศึกทั่วราชอาณาจักร โดยผู้บัญชาการทหารบก และเขาได้รับมอบหมายให้ทำหน้าที่หัวหน้าคณะฝ่ายรัฐบาล ในการร่วมเจรจาหาทางออกวิกฤติการณ์ทางการเมือง เมื่อวันที่ 22 พฤษภาคม พ.ศ. 2557 แต่การเจรจาในครั้งนั้นไม่สามารถตกลงกันได้ เขายืนยันว่าคณะรัฐมนตรีรักษาการจะไม่ลาออกจากตำแหน่ง ทำให้ พล.อ.ประยุทธ์ จันทร์โอชา ตัดสินใจยึดอำนาจการปกครอง เมื่อเวลา 16.30 น. วันเดียวกัน[10]