พ.ต.อ.ทวี สอดส่อง เข้ารับราชการตำรวจเป็นรองสารวัตรสอบสวนสถานีตำรวจภูธรอำเภอท่าใหม่ จังหวัดจันทบุรี จนกระทั่งเป็นรองผู้บังคับการกองปราบปราม[1] และในปี 2547 ได้โอนย้ายไปเป็นข้าราชการพลเรือนสามัญ ในตำแหน่งรองอธิบดีกรมสอบสวนคดีพิเศษ เป็นรองเลขาธิการคณะกรรมการป้องกันและปราบปรามยาเสพติด และได้รับแต่งตั้งเป็นอธิบดีกรมสอบสวนคดีพิเศษ ในปี 2551 แทน สุนัย มโนมัยอุดม[2] ต่อมาย้ายไปเป็นรองปลัดกระทรวงยุติธรรม และเป็นเลขาธิการศูนย์อำนวยการบริหารจังหวัดชายแดนภาคใต้ ในปี 2554[3] ดำรงตำแหน่งจนถึงปี 2557 จึงถูกย้ายไปดำรงตำแหน่งที่ปรึกษาประจำสำนักนายกรัฐมนตรี[4] และลาออกจากราชการในปี 2561

ในปี 2561 พ.ต.อ.ทวี สอดส่อง ได้เข้าร่วมกับ วันมูหะมัดนอร์ มะทา ดำรงตำแหน่งกรรมการบริหารพรรคประชาชาติ โดย พ.ต.อ.ทวี รับตำแหน่งเป็นเลขาธิการพรรค ต่อมาในปี 2562 เขาได้ลงสมัครรับเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรแบบบัญชีรายชื่อ ลำดับที่ 2 ของพรรคประชาชาติ แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง เนื่องจากพรรคประชาชาติได้รับที่นั่งในระบบบัญชีรายชื่อเพียง 1 ที่นั่ง ต่อมาในปี 2563 วันมูหะมัดนอร์ มะทา ลาออกจากการเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร ส่งผลให้ พ.ต.อ.ทวี ได้เลื่อนขึ้นมาเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรแทน[5] [1]