ดร.สัมพันธ์ พันธุ์พฤกษ์ รับราชการเป็นอาจารย์ประจำคณะศึกษาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น จนได้รับการแต่งตั้งเป็นคณบดี ในระหว่างปี พ.ศ. 2542 ถึง พ.ศ. 2546 และได้รับการแต่งตั้งเป็นประธานสภาคณบดีคณะครุศาสตร์ศึกษาศาสตร์แห่งประเทศไทย ในระหว่างปี พ.ศ. 2543-2544

ดร.สัมพันธ์ พันธุ์พฤกษ์ เคยได้รับการแต่งตั้งเป็นกรรมการผู้ทรงคุณวุฒิ ในสถาบันทดสอบทางการศึกษาแห่งชาติ ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2550[1] กระทั่งเมื่อวันที่ 1 ธันวาคม พ.ศ. 2553 จึงได้รับการแต่งตั้งเป็นผู้อำนวยการสถาบันทดสอบทางการศึกษาแห่งชาติ (สทศ.)