2002年12月，陈超英获得重用，以天津市委科技工委书记、市科委主任的身份当选市委常委，成为副省级干部。任职天津市委期间，陈超英经历张立昌、张高丽两任天津市委书记。
 
2009年5月，陈超英仕途中首次跨省交流，从天津市委常委、教卫工委书记、科工委书记北上辽宁，接替转任教育部副部长的鲁昕，出任辽宁省副省长，并于2012年12月接替转任常务副省长的周忠轩，跻身辽宁省委常委、秘书长。