Muriel Domenach sert comme conseillère maître en service extraordinaire à la Cour des comptes (2è chambre - transition écologique et enjeux énergétiques). Elle préside l'association La Cour au féminin pour l'égalité professionnelle femmes - hommes.

Elle a servi dans la filière stratégique au MEAE ainsi qu'au ministère des armées (1999-2013), ainsi que comme déléguée interministérielle pour la prévention de la délinquance et de la radicalisation (2016-2019), après une mission de consule générale à Istanbul (2013-2016). Ambassadrice auprès de l'OTAN entre la fin de la 1ère administration Trump et celle de l'administration Biden (2019-2024) et au moment du déclenchement de la guerre en Ukraine, elle partage son expérience et son expertise auprès des lycéens dans le cadre de l'initiative "au contact citoyens, citoyennes !".

Elle prépare également une série de films documentaires sur la défense de l'Europe pour ARTE, avec la réalisatrice Ruth Zylberman.

Muriel Domenach préside le conseil d'administration de Sciences-Po Lille.