1994年5月至1997年8月北京市文物局党组书记、局长。
1997年8月至2000年1月 中共北京市房山区委书记。
2001年1月至2002年8月北京市规划委员会（首都规划建设委员会办公室）党组书记、主任。
2002年8月，任文化部党组成员、国家文物局局长、党组书记。
2003年考入清华大学建筑学院城市规划与设计专业攻读博士学位，师从两院院士吴良镛教授，2008年获工学博士学位。
2012年1月，任文化部党组成员、故宫博物院院长、党委书记（2013年2月不再兼任故宫博物院党委书记）。
受聘为故宫博物院故宫学院院长
2018年3月，任文化和旅游部党组成员（副部长级）、故宫博物院院长。2018年12月，受聘为东南大学首批人文社会科学资深教授。
2019年4月8日，单霁翔退休。
2019年5月，受聘为故宫博物院故宫学院院长。
2021年2月8日，受聘为北京东城文化发展研究院院长。
2022年1月10日，受聘为上海大学文化遗产与信息管理学院名誉院长。
多次在国际学术会议上发表论文。2005年3月获美国规划协会“规划事业杰出人物奖”。
出版专著《城市化发展与文化遗产保护》、《从“功能城市”走向“文化城市”》和数十篇文章。