นิวัฒน์ธำรงเริ่มทำงานเป็นพนักงานขาย บริษัท ไอบีเอ็ม ประเทศไทย ตั้งแต่ พ.ศ. 2517 ตำแหน่งสุดท้าย เป็นผู้จัดการฝ่ายการเงินและวางแผน เมื่อ พ.ศ. 2533 ก่อนจะลาออกไปรับตำแหน่งผู้จัดการทั่วไป บริษัท ชินวัตรคอมพิวเตอร์ แอนด์ คอมมิวนิเคชั่น จำกัด และดูแล บริษัท อินเตอร์เนชั่นแนล บรอดคาสติ้ง คอร์ปอเรชั่น จำกัด (ไอบีซี), บริษัท ชินวัตร ไดเร็คทอรี่ส์ จำกัด, บริษัท มูฟวิ่งซาวน์ด จำกัด, บริษัท ชินวัตร แซทเทลไลท์ จำกัด, บริษัท เอสซี แมทช์บ็อกซ์ จำกัด และได้รับตำแหน่ง รองประธานกรรมการบริหารกลุ่มชิน คอร์ปอเรชั่น

หลังจาก ชิน คอร์ปอเรชั่น เข้ามาเป็นผู้ถือหุ้นใหญ่ใน บริษัท ไอทีวี จำกัด (มหาชน) ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2544 นิวัฒน์ธำรง ได้รับการแต่งตั้ง ให้ดำรงตำแหน่ง ประธานกรรมการบริหาร บริษัท ไอทีวี จำกัด (มหาชน) อีกตำแหน่งหนึ่ง

หลังจาก พานทองแท้ ชินวัตร บุตรชาย และพิณทองทา ชินวัตร บุตรสาวพันตำรวจโท ทักษิณ ชินวัตร ขายหุ้นชินคอร์ปให้กับกลุ่มเทมาเส็ก โฮลดิ้งส์[3] นิวัฒน์ธำรงได้ลาออกจากตำแหน่ง กรรมการ บมจ.ชินคอร์ป ในวันที่ 16 มีนาคม พ.ศ. 2549 โดยก่อนหน้านั้น เขาได้ขายหุ้นของตนเองทั้งหมด ตั้งแต่ปลายปี พ.ศ. 2548 ต่อมาไปอุปสมบทศึกษาพระธรรมอยู่ที่วัดป่าพุทธพจน์หริภุญไชย อำเภอเมืองลำพูน จังหวัดลำพูน ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2550 ถึงปี พ.ศ. 2553[1]

ในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554 ได้รับเลือกตั้งเป็น ส.ส.ระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคเพื่อไทย และได้รับโปรดเกล้าฯ แต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีประจำสำนักนายกรัฐมนตรี ในรัฐบาลของนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร ในการปรับคณะรัฐมนตรีเดือนมกราคม พ.ศ. 2555[4] โดยได้รับมอบหมายให้ทำหน้าที่กำกับดูแลสำนักงานปลัดสำนักนายกรัฐมนตรี สำนักเลขาธิการนายกรัฐมนตรี สำนักเลขาธิการคณะรัฐมนตรี สำนักงานคณะกรรมการพัฒนาการเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ สำนักงานคณะกรรมการพัฒนาระบบราชการ สำนักงานพระพุทธศาสนาแห่งชาติ สำนักงานคณะกรรมการพิเศษเพื่อประสานงานโครงการอันเนื่องมาจากพระราชดำริ กรมประชาสัมพันธ์ บริษัท อสมท จำกัด (มหาชน) และองค์การกระจายเสียงและแพร่ภาพสาธารณะแห่งประเทศไทย[5] และได้ลาออกจากการเป็น ส.ส. ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2555[6] เพื่อเปิดทางให้สมาชิกในลำดับถัดไปเลื่อนขึ้นมาดำรงตำแหน่งแทน แต่จากการสำรวจความพึงพอใจของประชาชน โดยสำนักเอแบคโพล เมื่อเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2555 เขาเป็นรัฐมนตรีที่ประชาชนไม่รู้จัก เป็นลำดับที่ 5[7]

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2556 เขาได้รับโปรดเกล้าฯ ให้พ้นจากตำแหน่งรัฐมนตรีประจำสำนักนายกรัฐมนตรี และให้ดำรงตำแหน่งรองนายกรัฐมนตรีและรัฐมนตรีว่าการกระทรวงพาณิชย์[8] สืบต่อจากนายบุญทรง เตริยาภิรมย์ ภายหลังจากการที่โครงการจำนำข้าวของรัฐบาล ได้รับการวิพากษ์วิจารณ์อย่างหนัก

วันที่ 7 พฤษภาคม พ.ศ. 2557 คณะรัฐมนตรีมีมติให้นิวัฒน์ธำรงปฏิบัติหน้าที่แทนนายกรัฐมนตรีหลังจากศาลรัฐธรรมนูญวินิจฉัยให้น.ส.ยิ่งลักษณ์ ชินวัตร นายกรัฐมนตรีและรัฐมนตรี 9 คนพ้นจากความเป็นรัฐมนตรี จากการมีมติโยกย้ายถวิล เปลี่ยนศรี[9] แต่ดำรงตำแหน่งได้เพียงแค่ 15 วัน ถูกคณะรักษาความสงบแห่งชาติรัฐประหาร จึงทำให้นิวัฒน์ธำรงและคณะรัฐมนตรีต้องพ้นจากตำแหน่ง