พล.ต.อ. ดร.วัชรพล ประสารราชกิจ รับราชการครั้งแรกในตำแหน่งผู้ช่วยนายเวรรองอธิบดีกรมตำรวจ ฝ่ายกิจการพิเศษ ติดยศว่าที่ร้อยตำรวจตรี (ร.ต.ต.) เป็นรองสารวัตรปราบปราม (สวป.) สถานีตำรวจนครบาลพญาไท เมื่อวันที่ 1 ตุลาคม พ.ศ. 2528 จากนั้นก็ได้เลื่อนตำแหน่งและได้ใกล้ชิดกับการเมืองมากขึ้น ด้วยการเป็นนายเวรอธิบดีกรมตำรวจ (พล.ต.อ.เภา สารสิน) และผู้ช่วยนายเวรอธิบดีกรมตำรวจ จากนั้นได้เปลี่ยนเป็นทำหน้าที่ดูแลด้านปราบปรามยาเสพติด และกลับเข้ามาสู่การเมืองอีกครั้งด้วยการเป็นรองเลขาธิการนายกรัฐมนตรี ฝ่ายการเมือง สมัยรัฐบาลอานันท์ ปันยารชุน เมื่อปี พ.ศ. 2534 จากนั้นก็ได้กลับไปสู่หน้าที่ปราบปรามยาเสพติดและกิจการต่างประเทศอีกครั้ง จนกระทั่งได้ขึ้นเป็นถึงผู้บัญชาการตำรวจปราบปรามยาเสพติด เมื่อวันที่ 1 ตุลาคม พ.ศ. 2546

หลังการรัฐประหารเมื่อวันที่ 19 กันยายน พ.ศ. 2549 ได้รับแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งสมาชิกสภานิติบัญญัติแห่งชาติ และได้รับแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งผู้ช่วยผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติด้านกิจการพิเศษ

จากนั้นในต้นปี พ.ศ. 2552 ได้รับแต่งตั้งให้ทำหน้าที่โฆษกสำนักงานตำรวจแห่งชาติ แทนที่ พล.ต.ท. พงศพัศ พงษ์เจริญ ตามคำสั่งของ พล.ต.อ. พัชรวาท วงษ์สุวรรณ ผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติด้วยเหตุผลว่ามีความเป็นนักวิชาการมากกว่า[7]

ในต้นปี พ.ศ. 2552 ได้รับเลื่อนยศเป็นพลตำรวจเอก (พล.ต.อ.) และดำรงตำแหน่งรองผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติ

ในกลางปี พ.ศ. 2552 หลังจากที่ พล.ต.อ. พัชรวาท เกษียณอายุราชการไป ที่ประชุมของคณะกรรมการนโยบายตำรวจแห่งชาติ (ก.ต.ช.) ไม่สามารถสรรหาผู้ที่ดำรงตำแหน่งผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติได้ถึง 2 ครั้ง 2 ครา ทำให้มีข่าวว่า พล.ต.อ. ดร.วัชรพล อาจจะได้รับแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งนี้เป็นคนต่อไป แต่เจ้าตัวได้ปฏิเสธและให้เหตุผลว่าในบรรดาผู้ที่มีคุณสมบัตินั้นตนมีอาวุโสน้อยที่สุด[8]

หลังจากที่นายอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ นายกรัฐมนตรีได้มีคำสั่งแต่งตั้ง พล.ต.อ. ปทีป ตันประเสริฐ เป็นรักษาการผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติในวันที่ 29 กันยายน แล้ว พล.ต.อ. ดร.วัชรพล ก็ได้ยื่นหนังสือลาออกจากตำแหน่งโฆษกสำนักงานตำรวจแห่งชาติและเลขานุการคณะกรรมการนโยบายตำรวจแห่งชาติ (ก.ต.ช.) ด้วย โดยให้เหตุผลว่าเป็นมารยาทที่เป็นตำแหน่งที่แต่งตั้งโดย ผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติคนเก่า (พล.ต.อ. พัชรวาท วงษ์สุวรรณ) ที่เมื่อ ผบ.ตร. คนเก่าเกษียณออกไปแล้วก็สมควรลาออกเพื่อให้ ผบ.ตร. ที่เข้ามาใหม่ได้พิจารณาแต่งตั้งใหม่[9]

ในกลางปี พ.ศ. 2553 ชื่อของ พล.ต.อ. ดร.วัชรพลก็กลับมาเป็นข่าวอีกครั้ง เมื่อมีชื่อคาดหมายว่าอาจจะเป็นผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติคนใหม่ หลังจาก พล.ต.อ. ปทีป รักษาราชการฯ ได้เกษียณอายุไป โดยตกเป็นชื่อคู่กับ พล.ต.อ. วิเชียร พจน์โพธิ์ศรี รอง ผบ.ตร. อีกคน แล้วในที่สุดตำแหน่งนี้ก็ตกเป็นของ พล.ต.อ. วิเชียรไป[10]

และในวันที่ 24 พฤษภาคม พ.ศ. 2557 หลังการรัฐประหารเมื่อวันที่ 22 พฤษภาคม ปีเดียวกัน ได้รับการแต่งตั้งจากคณะรักษาความสงบแห่งชาติ (คสช.) ปฏิบัติหน้าที่รักษาราชการแทนผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติ (พล.ต.อ. อดุลย์ แสงสิงแก้ว) ที่ถูกสั่งให้ไปปฏิบัติหน้าที่ที่สำนักนายกรัฐมนตรี [11]