Nhiều năm sau đó, bà giữ chức Viện trưởng Viện Kiểm sát nhân dân Quận 1, Chủ nhiệm Ban Kiểm tra Quận ủy Quận 1, rồi Phó chủ tịch thường trực UBND Quận 1, TP HCM.
Từ tháng 10/1998 đến 5/2005, bà là Phó chủ tịch thường trực, rồi Chủ tịch Hội liên hiệp phụ nữ TP HCM. Bốn năm sau đó, bà là Phó chủ nhiệm Ủy ban Dân số - Gia đình và Trẻ em Việt Nam, Phó chủ tịch Ủy ban Quốc gia vì sự tiến bộ của phụ nữ Việt Nam.
Từ tháng 6/2009 đến 3/2015, bà giữ chức Phó Bí thư, Bí thư Tỉnh ủy Vĩnh Long. Bà có một năm (3/2015-4/2016) làm Phó chánh Văn phòng Trung ương Đảng.
Bà Thịnh được Quốc hội bầu làm Phó chủ tịch nước ngày 8/4/2016; sau đó làm Quyền Chủ tịch nước từ 23/9/2018 đến 23/10/2018 khi Chủ tịch nước Trần Đại Quang từ trần.