В 2004-2010 годах - директор - председатель правления Заполярного филиала ОАО "ГМК "Норильский никель". В состав филиала входили Норильский горно-металлургический комбинат, несколько рудников, Норильская и Талнахская обогатительные фабрики, Надеждинский, Никелевый и Медный заводы, цех по производству платиновых концентратов, Дудинский морской порт и др.

С марта 2010 года - заместитель, с декабря 2012 года по сентябрь 2017 года - первый заместитель губернатора Красноярского края. Одновременно в 2010-2012 годах - вице-премьер, с декабря 2012 года - председатель краевого правительства. Пост главы региона в 2010-2014 годах занимал Лев Кузнецов, в 2014-2017 годах - Виктор Толоконский.

С 30 сентября 2017 года Виктор Томенко являлся и.о. первого заместителя губернатора Красноярского края Александра Усса, исполнял обязанности председателя краевого правительства.

30 мая 2018 года президент РФ Владимир Путин принял досрочную отставку губернатора Алтайского края Александра Карлина. Врио главы региона назначен Виктор Томенко.

С 17 сентября 2018 года - губернатор Алтайского края.