ดร.สุเมธ แย้มนุ่น เริ่มรับราชการในตำแหน่ง นักวิชาการสอบ ระดับ 3 สังกัดกองการสอบ สำนักงาน ก.พ. เมื่อปี พ.ศ. 2519 ก่อนจะย้ายมาเป็นเจ้าหน้าที่วิเคราะห์นโยบายและแผน ทบวงมหาวิทยาลัย และได้รับการแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งบริหาร ได้แก่

• ผู้อำนวยการกองวิเทศสัมพันธ์
• ผู้อำนวยการสำนักนโยบายและแผนอุดมศึกษา
• ที่ปรึกษาด้านนโยบายและแผน
• รองเลขาธิการคณะกรรมการการอุดมศึกษา ในปี พ.ศ. 2546
• เลขาธิการคณะกรรมการการอุดมศึกษา (กกอ.)[2] (พ.ศ. 2550-2554)

ต่อมาใน ปี พ.ศ. 2559 เขาถูกคำสั่งหัวหน้าคณะรักษาความสงบแห่งชาติที่1/2559 ระงับการปฏิบัติราชการในตำแหน่งรักษาการแทนอธิการบดี มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์เป็นการชั่วคราว[3]