เมื่อสำเร็จการศึกษาได้กลับมาเข้ามารับราชการที่ กรมโรงงาน ซึ่งขณะนั้นมีหน้าที่ก่อสร้างเขื่อน ต่อมาหน้าที่การสร้างเขื่อน ได้โยกย้ายไปขึ้นกับ กรมชลประทาน ในสมัย จอมพล ป.พิบูลสงคราม ทำให้ เกษม จาติกวณิช ย้ายไปทำงานที่กรมชลประทาน งานแรกที่รับผิดชอบ คือ การสร้างเขื่อนยันฮี หรือ เขื่อนภูมิพล โดยต้องทำรายงานเพื่อเสนอขอกู้เงินจาก ธนาคารโลก จำนวนถึง 65 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ที่นับว่าสูงมากในสมัยนั้น และทำให้นายเกษมมีโอกาส ได้สะสมความรู้ในการบริหารโครงการ และบริหารการเงิน เป็นอย่างมาก

หลังเขื่อนภูมิพลก่อสร้างแล้วเสร็จ นายเกษมก็ได้ดำรงตำแหน่งรองผู้ว่าการไฟฟ้ายันฮี ต่อมาได้สร้าง โรงไฟฟ้าพระนครเหนือ ขึ้นที่ อ.บางกรวย จ.นนทบุรี ต่อมาเมื่อ การไฟฟ้ายันฮี กลายสภาพเป็น การไฟฟ้าฝ่ายผลิต (กฟผ.) เกษม จึงได้ดำรงตำแหน่งเป็น ผู้ว่าการ กฟผ. คนแรก

ในระหว่างเป็นผู้ว่าการ กฟผ. นายเกษมได้รับการทาบทามให้ไปดำรงตำแหน่ง รัฐมนตรีว่าการกระทรวงอุตสาหกรรม ในรัฐบาล สัญญา ธรรมศักดิ์ แต่นายเกษมได้ปฏิเสธโดยให้เหตุผลว่าตำแหน่งที่ กฟผ.สำคัญกว่า ต่อมาในรัฐบาลพล.อ.เกรียงศักดิ์ ชมะนันทน์ นายเกษมได้รับแต่งตั้งให้เป็น รัฐมนตรีว่าการกระทรวงอุตสาหกรรม[2] และในรัฐบาล เกรียงศักดิ์ 2 ได้รับแต่งตั้งเป็น รัฐมนตรีประจำสำนักนายกรัฐมนตรี[3] ในฐานะที่ปรึกษาของนายกรัฐมนตรี

หลังจากลาออกจาก กฟผ. นายเกษมได้ดำรงตำแหน่งผู้บริหารรัฐวิสาหกิจในคราวเดียวกันถึง 4 แห่งคือเป็น กรรมการอำนวยการไทยออยล์, ประธานกรรมการ บางจากปิโตรเลียม, ประธานกรรมการบริษัทปุ๋ยแห่งชาติ และประธานกรรมการและประธานกรรมการบริหาร แบงก์เอเชียทรัสต์

ผลงานโดดเด่นที่สุดของนายเกษมในการบริหาร 4 รัฐวิสาหกิจคือการบริหารไทยออยล์ จนกลายเป็นยักษ์ใหญ่ในวงการน้ำมันของภูมิภาคเอเชีย ที่เติบโตอย่างต่อเนื่อง และสามารถกู้เงินก้อนใหญ่เพื่อขยายกิจการ โดยไม่ต้องนำทรัพย์สินของ บริษัทไปค้ำประกัน ด้วยความเชื่อถือบรรดาเจ้าหนี้หลายราย โดยช่วงเวลาที่เกษมเข้าบริหารงานไทยออยล์ตั้งแต่ปี 2528-2540 ได้นำพาไทยออยล์ขึ้นเป็นบริษัทน้ำมันระดับต้นๆ ของภูมิภาคเอเชีย กระทั่งนิตยสาร Far Eastern Economic Review ตั้งฉายาให้เกษมเป็น "Energy Tzar" (แปลเป็นไทยได้ว่า "จ้าวแห่งพลังงาน")

อย่างไรก็ตามเมื่อเกิดวิกฤติการณ์ทางเศรษฐกิจของไทยในปี พ.ศ. 2540 พร้อมๆ กับราคาน้ำมันโลกตกต่ำ ทำให้ไทยออยล์ได้รับผลกระทบอย่างหนัก จากการเปลี่ยนแปลงอัตราแลกเปลี่ยน ที่ทำให้หนี้ที่เป็นเงินตราต่างประเทศทวีจำนวนสูงขึ้นเป็นเท่าตัวเมื่อคิดเป็นเงินบาท และเกษมได้ลาออกจาก ไทยออยล์ ในช่วงสิ้นปี 2540 นี้เอง