นายวิทย์ รายนานนท์ เริ่มรับราชการในตำแหน่ง นายเวร กองกลาง สำนักงานปลัดกระทรวงการต่างประเทศ ในปี พ.ศ. 2510 จากนั้นในปี พ.ศ. 2514 จึงได้ย้ายไปดำรงตำแหน่งเลขานุการตรี สถานเอกอัครราชทูต ณ กรุงวอชิงตัน และได้เจริญก้าวหน้าในหน้าที่การงานเรื่อยมา จนได้รับตำแหน่งกงสุลใหญ่ ณ นครลอสแอนเจลิส ในปี พ.ศ. 2531 จากนั้นจึงได้ลาออกจากราชการไปดำรงตำแหน่งข้าราชการการเมือง

ในปี พ.ศ. 2534 นายวิทย์ รายนานนท์ ได้รับตำแหน่งรองเลขาธิการนายกรัฐมนตรีฝ่ายการเมือง และเป็นเลขาธิการนายกรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 17 มิถุนายน พ.ศ. 2535[1] ในรัฐบาลของนายอานันท์ ปันยารชุน

ต่อมาในวันที่ 14 กันยายน พ.ศ. 2535 จึงได้กลับเข้ามารับราชการในตำแหน่งอธิบดีกรมพิธีการทูต กระทรวงการต่างประเทศ และดำรงตำแหน่งเอกอัครราชทูต ณ กรุงแบร์น ในปี พ.ศ. 2536 และเอกอัครราชทูต ณ กรุงลอนดอน พ.ศ. 2537[2] และได้รับรางวัลครุฑทองคำ ในปี พ.ศ. 2539 ต่อมาปี พ.ศ. 2547 เป็นที่ปรึกษารัฐมนตรีว่าการกระทรวงการต่างประเทศ ปี พ.ศ. 2549 ได้รับการแต่งตั้งเป็นสมาชิกสภานิติบัญญัติแห่งชาติ ในปี พ.ศ. 2550 เป็นสมาชิกสภาร่างรัฐธรรมนูญ เป็นหนึ่งในกรรมการ ป.ป.ท. ที่มีความสัมพันธ์กับพรรคประชาธิปัตย์[3]