รับราชการแห่งแรกที่สำนักงานคณะกรรมการข้าราชการพลเรือน ต่อมาสอบโยกย้ายเข้า สมช. ในตำแหน่งเจ้าหน้าที่วิเคราะห์ข้อมูล 3, ผู้อำนวยการกองความมั่นคงด้านเศรษฐกิจ, ผู้เชี่ยวชาญเฉพาะด้านความมั่นคงระหว่างประเทศ, ผู้อำนวยการสำนักความมั่นคงกิจการชายแดนและการป้องกันประเทศ (เจ้าหน้าที่วิเคราะห์นโยบายและแผน 9 บส), ผู้อำนวยการสำนักเจ้าหน้าที่นโยบายและแผน 9 สำนักความมั่นคงกิจการชายแดนและการป้องกันประเทศ วันที่ 29 มิถุนายน พ.ศ. 2549 ย้ายเป็น ที่ปรึกษาด้านการประสานกิจการความมั่นคง (เจ้าหน้าที่วิเคราะห์นโยบายและแผน 10 ชช)[7],วันที่ 27 พฤศจิกายน พ.ศ. 2549 ย้ายเป็น รองเลขาธิการสภาความมั่นคงแห่งชาติ[8] จนกระทั่งได้รับการแต่งตั้งเป็นเลขาธิการ สมช.เมื่อวันที่ 18 สิงหาคม พ.ศ. 2552 ในรัฐบาลอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ[9] แทน พล.ท.สุรพล เผื่อนอัยกา ที่ถูกย้ายไปเป็นที่ปรึกษานายกฯ ฝ่ายข้าราชการประจำเช่นกัน

ต่อมาวันที่ 30 กันยายน พ.ศ. 2554 รัฐบาลยิ่งลักษณ์ ชินวัตรมีคำสั่งนายกรัฐมนตรีให้ถวิลไปปฏิบัติหน้าที่ในตำแหน่งที่ปรึกษานายกรัฐมนตรี ต่อมาในวันที่ 31 พฤษภาคม พ.ศ. 2556 ศาลปกครองกลางได้มีคำสั่งให้เพิกถอนคำสั่งของสำนักนายกรัฐมนตรีดังกล่าว และให้หน่วยงานที่เกี่ยวข้องดำเนินการให้ถวิลกลับไปดำรงตำแหน่งเลขาธิการสภาความมั่นคงแห่งชาติตามเดิม และในที่สุดในวันที่ 7 มีนาคม พ.ศ. 2557 ศาลปกครองสูงสุดมีคำพิพากษาให้คืนตำแหน่งเลขาธิการสภาความมั่นคงแห่งชาติ แก่ถวิล เปลี่ยนศรี ภายใน 45วัน ถวิล เปลี่ยนศรีได้กลับเข้าดำรงตำแหน่งเลขาสภาความมั่นคงแห่งชาติในวันที่ 25 มีนาคม พ.ศ. 2557[10]

ในเหตุการณ์ วิกฤตการณ์การเมืองไทย พ.ศ. 2556–2557 ยิ่งลักษณ์ ชินวัตร ออก พระราชบัญญัติความมั่นคงภายในราชอาณาจักร ระหว่างวันที่ 19 มีนาคม 2557 ถึง 19 พฤษภาคม 2557 ให้เขตพื้นที่กรุงเทพมหานคร จังหวัดนนทบุรี อำเภอลาดหลุมแก้ว จังหวัดปทุมธานี และอำเภอบางพลี จังหวัดสมุทรปราการ เป็นพื้นที่ปรากฏเหตุการณ์อันกระทบต่อความมั่นคงภายในราชอาณาจักร ซึ่งโดยปกติ ถวิล เปลี่ยนศรี ต้องเป็นกรรมการ ในศูนย์อำนวยการรักษาความสงบเรียบร้อย[11]แต่ สุรพงษ์ โตวิจักษณ์ชัยกุล ประธานที่ปรึกษา ศอ.รส. ไม่ยอมให้เขาเป็นกรรมการ ในศูนย์อำนวยการรักษาความสงบเรียบร้อย นอกจากนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งของผู้ขึ้นเวที กปปส. อีกด้วย

หลังรัฐประหารในประเทศไทย พ.ศ. 2557 เขาได้รับการแต่งตั้งเป็น ประธานกรรมการการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค[12]ในวันที่ 20 กรกฎาคม พ.ศ. 2558 เขาพ้นจากตำแหน่งดังกล่าวเมื่อวันที่ 8 สิงหาคม พ.ศ. 2560 เขานับเป็นพลเรือนคนแรกที่ได้รับตำแหน่งประธานกรรมการการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค เนื่องจากโดยธรรมเนียมตำแหน่งดังกล่าวบุคคลที่เป็นประธานกรรมการ มักเป็น ปลัดกระทรวงมหาดไทย รองปลัดกระทรวงมหาดไทย อธิบดีกรมการปกครอง ซึ่งเป็นบุคคลที่มียศกองอาสารักษาดินแดน และก่อนหน้าที่เขาจะดำรงตำแหน่ง คณะรักษาความสงบแห่งชาติแต่งตั้ง พลเอก วิโรจน์ บัวจรูญ เป็นประธานกรรมการในวันที่ 30 พฤศจิกายน พ.ศ. 2557

และยังได้รับการแต่งตั้งเป็น ที่ปรึกษาส่วนตัวด้านความมั่นคงของพลเอกประวิตร วงษ์สุวรรณ[13]กรรมการในคณะกรรมการวินิจฉัยการเปิดเผยข้อมูลข่าวสารสาขาต่างประเทศและความมั่นคงของประเทศ[14]ในคณะรัฐมนตรีไทย คณะที่ 61 กรรมการในคณะกรรมการต่อต้านการทุจริตแห่งชาติ ตามคำสั่งคณะรักษาความสงบแห่งชาติ ที่ 6/2559[15]กรรมการในคณะกรรมการปฏิรูปประเทศด้านการบริหารราชการแผ่นดิน[16]