Năm 2013, sau khi tốt nghiệp Học viện Cảnh sát nhân dân, anh được điều động về công tác tại Đội Cảnh sát hình sự, Công an thành phố Tuyên Quang, tỉnh Tuyên Quang. Ở trận tuyến mới, trên cương vị cán bộ trinh sát trẻ, anh và đồng đội thường xuyên phải đối đầu với đủ loại đối tượng nguy hiểm, từ những tên tội phạm hung hãn, lì lợm, ngoan cố đến những “siêu trộm” ở các tỉnh, thành phố khác đến gây án ở Tuyên Quang. Gây án xong, chúng xóa sạch dấu vết và nhanh chóng tẩu tán đi xa khỏi hiện trường. Tuy nhiên bằng sự nhạy bén, chuyên môn nghiệp vụ vững vàng, kiên trì, quyết tâm cao, anh và các đồng đội đã phá thành công hàng chục chuyên án, vụ án lớn, có tính chất phức tạp. Với những thành tích xuất sắc trong công tác, cuối năm 2014, anh được bổ nhiệm làm Đội phó Đội Cảnh sát hình sự phụ trách mảng điều tra án chưa rõ đối tượng.
Anh cùng đồng đội đã lập những chiến công tiêu biểu, như: Trực tiếp tham gia, chỉ đạo phá thành công chuyên án, bắt giữ đối tượng Nguyễn Đình Thường (trú tại xã Bình Phú, huyện Thạch Thất, TP Hà Nội) đã gây ra nhiều vụ trộm cắp tại các cơ quan Nhà nước trên địa bàn thành phố Tuyên Quang từ tháng 10/2015 đến tháng 4/2016; tham gia phá thành công chuyên án bắt giữ đối tượng Tạ Trung Kiên (trú tại xã An Tường, thành phố Tuyên Quang) thu giữ 07 xe máy các loại trả lại cho nhân dân.
Chia sẻ về nghề, Thượng úy Giao cho biết, mỗi vụ án đều có những tính chất phức tạp riêng, điều tra viên không được bỏ sót một manh mối nào dù là nhỏ nhất. Trong công việc, cần phải tích cực học hỏi, trau dồi kinh nghiệm của những người đi trước và tự đúc rút, tích lũy cho bản thân. Việc bám sát cơ sở, gần gũi nhân dân sẽ có được những nguồn tin quý giá phục vụ công tác phá án.
Với những chiến công và thành tích đã đạt được, Thượng úy Trần Kim Giao đã vinh dự được Chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Tuyên Quang tặng Bằng khen về thành tích trong công tác đấu tranh phòng, chống tội phạm, giữ gìn trật tự xã hội trên địa bàn tỉnh và nhiều phần thưởng cao quý khác.