ปานเทพ กล้าณรงค์ราญ เริ่มทำงานที่สำนักงานคณะกรรมการพัฒนาการเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ (สศช.) จนดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการกองวางแผนและวิชาการ แล้วย้ายมารับตำแหน่งผู้ช่วยเลขาธิการคณะกรรมการพิเศษเพื่อประสานงานโครงการอันเนื่องมาจากพระราชดำริ (กปร.) ต่อมาดำรงตำแหน่ง เลขาธิการ กปร.[2] และเป็นกรรมการและรองเหรัญญิกมูลนิธิชัยพัฒนา

ช่วงปลายปี พ.ศ. 2548 นายปานเทพ กล้าณรงค์ราญ เป็นผู้ทำบันทึกทักท้วงรัฐบาล พ.ต.ท.ทักษิณ ชินวัตร มิให้จ่ายเงินค่าเวนคืนโครงการพระราชดำริ เขื่อนป่าสักชลสิทธิ์ ให้กับนายทุนที่ดินเป็นจำนวนเงิน 670 ล้านบาท

นายปานเทพ กล้าณรงค์ราญ ได้รับการเสนอชื่อเป็นกรรมการป้องกันและปราบปรามการทุจริตแห่งชาติ เป็น 1 ใน 18 ผู้ถูกเสนอชื่อให้วุฒิสภาคัดเลือกให้เหลือ 9 คน ระหว่างขั้นตอนการคัดสรร และได้รับการแต่งตั้งเป็น ประธานกรรมการ ป.ป.ช. จากประกาศคณะปฏิรูปการปกครองในระบอบประชาธิปไตยอันมีพระมหากษัตริย์ทรงเป็นประมุข ฉบับที่ 19 เมื่อวันที่ 22 กันยายน พ.ศ. 2549[3]

หลังรัฐประหารในประเทศไทย พ.ศ. 2557 ได้รับการแต่งตั้งเป็น ประธานกรรมการในคณะกรรมการปฏิรูปประเทศด้านการป้องกันและปราบปรามการทุจริตและประพฤติมิชอบ สมาชิกสภาขับเคลื่อนการปฏิรูปประเทศ

ในวันที่ 6 เมษายน พ.ศ. 2561 มีพระราชโองการโปรดเกล้าฯ แต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่ง กรรมการในคณะกรรมการบริหารกองทุนพระราชทาน สำหรับศูนย์ศึกษาการพัฒนาอันเนื่องมาจากพระราชดำริ[4]