ก่อนรับราชการอัยการ นายธาริตเป็นผู้ช่วยอาจารย์สอนกฎหมาย จนกระทั่งได้พบกับนายคณิต ณ นครในฐานะอาจารย์พิเศษ จึงแนะนำให้ธาริตไปสอบอัยการหลังเรียนจบนิติศาสตร์มหาบัณฑิต และธาริตก็สอบได้เป็นอัยการ[9] จนกระทั่งพ.ต.ท.ทักษิณ ชินวัตรได้ก่อตั้งพรรคไทยรักไทย ได้ระดมนักกฎหมายหลายคน เช่น นายคณิต ณ นคร, นายเรวัติ ฉ่ำเฉลิม ร่วมก่อตั้งพรรค ซึ่งในจำนวนนั้นมีนายธาริตอยู่ด้วย ทำให้หลังจากที่พรรคไทยรักไทยชนะการเลือกตั้ง ธาริตจึงได้รับแต่งตั้งให้ช่วยราชการสำนักนายกรัฐมนตรี โดยทำงานกับนพ. พรหมินทร์ เลิศสุริย์เดช รองนายกรัฐมนตรี ขณะเดียวกันนายธาริตยังเป็นเป็นคณะที่ปรึกษาของนายพันศักดิ์ วิญญรัตน์อีกด้วย

ภายหลังจัดตั้งสำนักงานคณะกรรมการป้องกันและปราบปรามการทุจริตในภาครัฐ เขาดำรงตำแหน่งเลขาธิการของหน่วยงานนี้เป็นคนแรก

เมื่อมีการจัดตั้งกรมสอบสวนคดีพิเศษ (DSI) ในรัฐบาลพ.ต.ท.ทักษิณ ชินวัตร ธาริตได้โอนมาดำรงตำแหน่งรองอธิบดี และต่อมาก็ได้รับแต่งตั้งเป็นเลขาธิการคณะกรรมการป้องกันและปราบปรามการทุจริตในภาครัฐ จนกระทั่งได้รับแต่งตั้งเป็นอธิบดีกรมสอบสวนคดีพิเศษแทน พ.ต.อ.ทวี สอดส่อง ในรัฐบาลนายอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ

นายธาริต เป็นหนึ่งในคณะกรรมการศูนย์อำนวยการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉิน (ศอฉ.) เมื่อครั้งมีการชุมนุมของแนวร่วมประชาธิปไตยต่อต้านเผด็จการแห่งชาติ ขับไล่รัฐบาลนายอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ ในปี พ.ศ. 2553 แต่ไม่ได้เป็นคณะกรรมการด้านยุทธการ[10]นอกจากนี้ยังมีส่วนสำคัญในการดำเนินคดีทางการเมืองหลายคดี

ในวันที่ 25 พฤศจิกายน พ.ศ. 2556 เขารับคำร้องที่พรรคเพื่อไทยฟ้องร้องถอดถอนตุลาการศาลรัฐธรรมนูญและเป็นหัวหน้าพนักงานสอบสวนเพื่อเอาผิดต่อตุลาการศาลรัฐธรรมนูญ[11]

ในวันที่ 18 ธันวาคม พ.ศ. 2556 ได้มีประกาศกรมสอบสวนคดีพิเศษ เรื่อง มติคณะกรรมการคดีพิเศษให้คดีความผิดทางอาญาอื่นเป็นคดีพิเศษโดยมีมติ ว่ารับกรณี นาย สุเทพ เทือกสุบรรณ กับพวก ถูกกล่าวหาว่ากระทำความผิดอาญาสืบเนื่องจากการชุมนุมทางการเมืองในพื้นที่กรุงเทพมหานคร เป็นคดีพิเศษ[12]

ในระหว่างเหตุการณ์วิกฤตการณ์การเมืองไทย พ.ศ. 2556–2557 นายธาริตเป็นกรรมการในศูนย์รักษาความสงบในสมัยรัฐบาลนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร[13]และได้รับการแต่งตั้งเป็นที่ปรึกษาการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉินและผู้ช่วยเลขานุการ[14]ในวันที่ 21 มกราคม พ.ศ. 2557

นายธาริตได้รับการต่ออายุราชการภายหลังเกษียณอายุราชการในสมัยรัฐบาล น.ส.ยิ่งลักษณ์ ชินวัตร[15]ณ ขณะนั้นเป็นที่วิพากษ์วิจารณ์เนื่องจาก นายถวิล เปลี่ยนศรีถูกโยกย้ายเป็นที่ปรึกษานายกรัฐมนตรี[16]เนื่องจากเป็นกรรมการและเลขานุการศูนย์อำนวยการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉิน (ศอฉ.)แต่นายธาริต เพ็งดิษฐ์ กลับได้ต่ออายุราชการทั้ง ๆ ที่เป็นกรรมการศูนย์อำนวยการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉิน เช่นเดียวกัน ในปี พ.ศ. 2557 หลังการยึดอำนาจการปกครองของคณะรักษาความสงบแห่งชาติ ได้รับคำสั่งให้ย้ายไปดำรงตำแหน่งที่ปรึกษาประจำสำนักนายกรัฐมนตรี

และยังได้รับการแต่งตั้งเป็น เลขานุการศูนย์อำนวยการรักษาความสงบเรียบร้อย ในช่วง ระหว่างวันที่ 19 มีนาคม 2557 ถึง 19 พฤษภาคม 2557[17]

ภายหลังการรัฐประหารในประเทศไทย พ.ศ. 2557 เขาถูกย้ายไปเป็นที่ปรึกษานายกรัฐมนตรี และ ถูกลงโทษไล่ออกจากราชการ ในวันที่ 3 เมษายน พ.ศ. 2560 ในข้อหาร่ำรวยผิดปกติ[18]