Трудовую карьеру начал в Иркутском научно-исследовательском институте редких и цветных металлов.
С 1983 по 1988 годы возглавлял представительство экспериментально-промышленного объединения «Луч» в ГДР. К этому времени относится знакомство Чемезова с Владимиром Путиным.
С 1988 по 1996 годы — заместитель генерального директора внешнеторгового объединения «Совинтерспорт».
С 1996 по 1999 годы — начальник управления внешнеэкономических связей Управления делами президента.
С 1999 по 2000 годы — генеральный директор ФГУП «Промэкспорт».
С 2000 по 2007 годы — работа во ФГУП «Рособоронэкспорт»: сначала первый заместитель генерального директора, затем генеральный директор.
С 2007 года — генеральный директор государственной корпорации «Ростех» (АвтоВАЗ, КамАЗ, «Вертолеты России» и другие крупные предприятия).
Супруга — Екатерина Игнатова, вместе с Михаилом Прохоровым и Виктором Вексельбергом являлась акционером банка МФК.
