Bà bắt đầu công tác tại Ban Đối ngoại Trung ương từ năm 2003 tại Vụ Tổ chức – Cán bộ và đã đảm nhiệm nhiều vị trí, trong đó có Phó Trưởng Phòng Tổng hợp – Thư ký, Văn phòng; Phó Tổng Biên tập Tạp chí Đối ngoại; Phó Vụ trưởng phụ trách rồi Vụ trưởng Vụ Thông tin – Tư liệu. Tháng 3/2025, bà chuyển công tác về Bộ Ngoại giao và công tác tại Vụ Thông tin Báo chí, Bộ Ngoại giao.

Bà đã tham gia các khóa học ngắn hạn tại Hoa Kỳ (2012), Australia (2017, 2024), Lào (2023), Campuchia (2024); tham gia các chương trình Tàu Thanh niên Đông Nam Á (SSEAYP) do Chính phủ Nhật Bản tổ chức (2007) và chương trình Lãnh đạo Quốc tế Tương lai (FILP) do Bộ Ngoại giao Vương quốc Anh tổ chức (2013).

Ngày 16/01/2026, bà được Chủ tịch nước trao quyết định bổ nhiệm làm Đại sứ Đặc mệnh toàn quyền nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam tại Brunei Darussalam.

Ngày 09/7/2026, bà đến Brunei Darussalam, bắt đầu nhiệm kỳ công tác và ngày 19/10/2026, bà trình Quốc thư lên Quốc vương Brunei Haji Hassanal Bolkiah Muiz'zaddin Wad'daulah, chính thức đảm nhận cương vị Đại sứ Đặc mệnh toàn quyền nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam tại Brunei Darussalam.

Bà Đỗ Thùy Dương đã kết hôn và có hai con trai.