ชาติชาย เริ่มทำงานในธนาคารกสิกรไทยตั้งแต่ พ.ศ. 2526 ในฝ่ายพัฒนาธุรกิจ และทำงานเรื่อยมาจนกระทั่งเป็นรองกรรมการผู้จัดการ ธนาคารกสิกรไทย ในปี พ.ศ. 2555[3] ต่อมาใน พ.ศ. 2557 ได้รับการแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งเป็นผู้อำนวยการธนาคารออมสิน คนที่ 16 จนครบวาระในปี พ.ศ. 2563[4]

ขณะดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการธนาคารออมสินนั้นเขาเคยมีข่าวลือว่าเป็นผู้ที่ได้รับการทาบทามให้ดำรงตำแหน่งเป็นรัฐมนตรีว่าการกระทรวงการคลังแต่เขาปฏิเสธ[5] ต่อมาในเดือนกุมภาพันธ์ได้ปรากฏข่าวว่าพรรคพลังประชารัฐได้ทาบทามชาติชายให้ร่วมงานเป็นทีมเศรษฐกิจของพรรคซึ่งนายสันติ พร้อมพัฒน์ เลขาธิการพรรค ได้ยืนยันว่าอยู่ในระหว่างการเจรจา แต่ท้ายที่สุดก็ไม่มีความคืบหน้าแต่อย่างใด[6]

ในวันที่ 15 มีนาคม พ.ศ. 2566 พรรคชาติไทยพัฒนาได้เปิดตัวชาติชายเป็นทีมยุทธศาสตร์เศรษฐกิจของพรรค[7] ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร พ.ศ. 2566 เขาได้ลงสมัครรับเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรแบบบัญชีรายชื่อ ลำดับที่ 2 สังกัดพรรคชาติไทยพัฒนา[8]แต่ไม่ได้รับการเลือกตั้ง