เริ่มรับราชการครั้งแรก ตำแหน่งผู้บังคับหมวดเครื่องยิงลูกระเบิด กองร้อยเครื่องยิงลูกระเบิด กรมทหารม้าที่ 3 ต่อมาเป็นหัวหน้าฝ่ายยุทธการ กองพลทหารม้าที่ 1 ต่อมาเป็นผู้บังคับกองพันทหารม้าที่ 13 เป็นผู้บังคับการจังหวัดทหารบกพะเยา เป็นผู้บัญชาการกองพลทหารม้าที่ 1 เป็นรองแม่ทัพภาคที่ 3 เป็นแม่ทัพภาคที่ 3 คนที่ 38 และเป็นผู้ช่วยผู้บัญชาการทหารบก เมื่อวันที่ 11 ตุลาคม พ.ศ. 2559 มีพระบรมราชโองการโปรดเกล้าแต่งตั้งให้ พลเอก สมศักดิ์ นิลบรรเจิดกุล ดำรงตำแหน่งสมาชิกสภานิติบัญญัติแห่งชาติ[7]