三次到地方任职，接替钱运录出任中共黑龙江省委书记；并出任省人大常委会主任。2013年3月14日当选第十二届全国人民代表大会常务委员会副委员长，跻身党和国家领导人行列；3月20日起，不再担任黑龙江省的领导职务。2018年3月17日，连任第十三届全国人民代表大会常务委员会副委员长，成为曾经下级栗战书的副手（吉炳轩任黑龙江省委书记时，栗战书任黑龙江省长）。2020年12月，彭佩奥领导的美国国务院宣布因香港问题制裁全国人大常委会14名副委员长，吉炳轩在列其中。着有学术笔记《鉴知录》、《清心集》、《寂聊集