สิงห์ชัย เริ่มรับราชการที่สำนักงานอัยการสูงสุด เมื่อวันที่ 8 สิงหาคม พ.ศ. 2522[4] เคยดำรงตำแหน่งรองอธิบดีอัยการสำนักงานชี้ขาดอัยการสูงสุด[5] รองอธิบดีอัยการสำนักงานคดีอาญา[6] รองอธิบดีอัยการสำนักงานคดีเศรษฐกิจและทรัพยากร[7] อธิบดีอัยการสำนักงานคดีอัยการสูงสุด[8] อธิบดีอัยการสำนักงานคดีอาญา[9] รองอัยการสูงสุด[10] และเป็นอัยการสูงสุดในที่สุด[11]

นอกจากนี้ยังดำรงตำแหน่งรองเลขาธิการและกรรมการเนติบัณฑิตยสภา[2] และกรรมการในสภามหาวิทยาลัยบูรพา[12] อีกด้วย