Làm việc tại VNNIC từ năm 2000. ông Nguyễn Hồng Thắng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động an toàn ổn định cho Hệ thống máy chủ tên miền DNS quốc gia .VN và Trạm trung chuyển Internet quốc gia Việt Nam (VNIX). Từ 2011, ông Thắng đảm nhận chức vụ Phó Giám đốc phụ trách mảng kỹ thuật và công nghệ của VNNIC. Đến năm 2020, ông Nguyễn Hồng Thắng chính thức được bổ nhiệm giữ chức vụ Giám đốc Trung tâm Internet Việt Nam.
Một trong những đóng góp lớn nhất của ông Thắng là xây dựng, triển khai “Đề án triển khai tiêu chuẩn DNSSEC cho hệ thống máy chủ tên miền DNS .VN” và các hoạt động thúc đẩy tỷ lệ triển khai, ứng dụng IPv6 tại Việt Nam.
Năm 2018, ông Nguyễn Hồng Thắng được trao tặng danh hiệu “IPv6 Hall of Fame” với những đóng góp thúc đẩy phát triển, ứng dụng IPv6 toàn cầu.
Đến tháng 8/2022, ông Nguyễn Hồng Thắng được bổ nhiệm Cục trưởng Cục Viễn thông.