بدأ عبد الله بن حمد العطية مسيرته المهنية في وزارة المالية والبترول عام 1972، ثمّ تولى منصب رئيس العلاقات الدولية والعامة فيها بين عامي 1972 و1986.

وبين عامي 1986 و1989، تولّى إدارة مكتب وزارة الداخلية، قبل أن يتولى منصب القائم بأعمال وزير المالية والبترول خلال الفترة الممتدة من 1989 إلى 1992.

وفي عام 1992، عُيّن العطية وزيرا للطاقة والصناعة، إلى جانب توليه منصب الرئيس التنفيذي والعضو المنتدب لشركة قطر للبترول. وفي العام التالي، ترأّس منظمة الدول المصدرة للبترول (أوبك)، بالتوازي مع عضويته في لجنة الالتزام بحصص الإنتاج التابعة للمنظمة.

ومع بدايات الألفية الجديدة، عُيّن نائبا ثانيا لرئيس مجلس الوزراء عام 2003، قبل أن يتولّى منصب نائب رئيس مجلس الوزراء عام 2007.

وفي عام 2011، عُيّن رئيسا للديوان الأميري، ثم تولّى لاحقًا رئاسة هيئة الرقابة الإدارية والشفافية، إضافة إلى رئاسته لجنة التخطيط في الدولة.

وفي عام 2015، افتتح العطية إلى جانب الأمير الوالد الشيخ حمد بن خليفة آل ثاني مؤسسة عبد الله بن حمد العطية الدولية للطاقة والتنمية المستدامة، وهي مؤسسة غير ربحية، وشغل منصب رئيس مجلس أمنائها.