Tốt nghiệp Học viện ANND năm 2005, Cao Thanh Hải được điều về công tác tại Phòng ANĐT Công an tỉnh Nghệ An. Mặc dầu công việc mới mẻ, nhưng với những kiến thức được trang bị, cộng với năng khiếu nghề nghiệp, sự giúp đỡ của những người đi trước, Hải đã nhanh chóng “nhập vai” cùng đồng đội tham gia phá các chuyên án lớn, đấu tranh với các đối tượng liên quan đến ANQG.
Với ý chí, quyết tâm cao trong công tác, được lãnh đạo đơn vị quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện, vì vậy chẳng bao lâu, Cao Thanh Hải đã vững vàng trong công tác chuyên môn, nhất là trong lĩnh vực điều tra tố tụng hình sự. Năng động, hiệu quả, lập công xuất sắc đã trở thành ý chí và động lực chắp cánh cho Cao Thanh Hải ngày càng vươn lên và khẳng định được chính mình trong mọi lĩnh vực công tác.
Để ngày một hoàn thiện hơn, lãnh đạo, đồng đội tin yêu hơn, Cao Thanh Hải luôn tự rèn cho mình lối sống kỷ cương, giản dị, gần gũi, thân thiện với mọi người, tác phong nhanh nhẹn, tháo vát, năng động, tích cực qua các phong trào thi đua của đơn vị và Công an tỉnh, nhất là trong Cuộc vận động: “Học tập và làm theo tấm gương đạo đức Hồ Chí Minh - CAND vì nước quên thân, vì dân phục vụ”. Đây là động lực nhằm thúc đẩy người sỹ quan an ninh trẻ tuổi, đầy nhiệt huyết với ngành nghề. Điều đó được Hải thể hiện qua việc đẩy nhanh tiến độ điều tra xử lý án, xác minh vụ việc, cũng như xác lập các kế hoạch nghiệp vụ, đấu tranh có hiệu quả với các loại tội phạm thuộc thẩm quyền điều tra của cơ quan ANĐT đảm bảo đúng người, đúng tội, đúng pháp luật.
Trong mấy năm gần đây, dưới sự chỉ đạo của chỉ huy đơn vị, Cao Thanh Hải đã trực tiếp tham gia, đấu tranh có hiệu quả nhiều chuyên án với các tội danh: Tàng trữ, lưu hành tiền giả, mua bán, vận chuyển trái phép vật liệu nổ, lừa đảo chiếm đoạt tài sản… đạt hiệu quả cao. Thậm chí có những vụ án phải đầu tư nhiều thời gian công sức và trí tuệ, xa cơ quan, gia đình, nhưng Cao Thanh Hải vẫn kiên trì bám địa bàn, bám đối tượng để bắt bằng được đối tượng phạm tội, như vụ mua bán, vận chuyển vật liệu nổ trái phép ở huyện Diễn Châu là một điển hình. Sau gần 1 tháng mật phục, theo dõi, Hải đã bắt quả tang đối tượng Nguyễn Hồng Hiển, trú ở Diễn Ngọc, huyện Diễn Châu khi đang vận chuyển gần 50kg thuốc nổ, 200 kíp nổ, 340m dây cháy chậm. Vụ án đã được khởi tố để điều tra mở rộng nhằm xử lý nghiêm minh theo quy định của pháp luật.
Không những là một cán bộ điều tra vững vàng trong chuyên môn, cũng như có bản lĩnh vững vàng, sắc sảo, Hải còn là Bí thư Chi đoàn của đơn vị, linh hoạt, luôn thể hiện tính xung kích trong công tác chuyên môn và công tác khác, là hạt nhân trong các phong trào thi đua của Ban Công tác thanh niên Công an tỉnh; luôn phấn đấu rèn luyện mình theo sáu điều Bác Hồ dạy Công an nhân dân và cuộc vận động: “CAND thực hiện nghiêm điều lệnh, xây dựng nếp sống văn hóa vì nhân dân phục vụ”.
Với nỗ lực phấn đấu rèn luyện trên mọi lĩnh vực công tác của đơn vị, từ năm 2008- 2011, Đại úy Cao Thanh Hải được tập thể đơn vị bình bầu là “Chiến sỹ Thi đua cơ sở”. Đặc biệt năm 2011, Đại úy Cao Thanh Hải vinh dự được Bộ Công an tặng danh hiệu “Chiến sỹ Thi đua toàn lực lượng CAND”
