Çalışma hayatına Adalet Bakanlığı'nda ağır ceza hakimi olarak başladı. Hakimliği bıraktıktan sonra avukatlığa dönen Ünlüce, sırası ile Türk Telekom A.Ş. Hukuk İşleri Müdürlüğü ve Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Hukuk Müşavirliği'nde görev yaptı.
2002-2006 yılları arasında Eskişehir Barosu Yönetim Kurulu Üyesi ve Kadın Hakları Komisyonu Başkanı olarak görev alan Ünlüce, aynı dönemde Türkiye Barolar Birliği Kadın Hakları Komisyonu (TÜBAKKOM) Yönetim Kurulu Üyeliğine ve İç Anadolu Bölge Temsilciliği'ne seçildi. 2005 yılında Eskişehir Barosu Çevre Komisyonu'nun kurucu başkanlığını üstlendi. Eskişehir Barosu'nda 2012 yılından sonra üç dönem Türkiye Barolar Birliği delegeliği görevini yürüttü. Bu süreçte kadın hakları ve aile hukuku alanında pek çok konferans ve panelde, konuşmacı ve moderatör olarak yer aldı.
Ünlüce, 2003-2016 yılları arasında Eskişehir'de kadın dayanışması için faaliyet gösteren yirmi dört sivil toplum kuruluşunun başkan ve temsilcilerinden oluşan Eskişehir Kadın Platformu'nda aktif olarak çalıştı. 2006 yılından itibaren Yerel Gündem 21 hareketinin Kent Konseyi sürecinde Kadın Meclisi Yürütme Kurulu'na seçilerek başkan yardımcılığını üstlendi. Bu süreçte Eskişehir için büyük bir kazanım olan Büyükşehir Belediyesi Kadın Danışma ve Dayanışma Merkezi'nin kurulmasını sağlayarak, uzun yıllar merkezde gönüllü hukuk danışmanlığı hizmeti verdi. Okullarda, mahalle meclislerinde ve belde evlerinde hukuk okur-yazarlığı eğitimlerinde görev aldı. Ayrıca Kent Konseyi Yürütme Kurulu Üyesi olarak sivil toplum çalışmalarına uzun süre devam etti.
2016 yılında Eskişehir Büyükşehir Belediyesi 1. Hukuk Müşavirliğine getirilen Ünlüce, Nisan 2018'de Büyükşehir Belediye Başkanı Yılmaz Büyükerşen tarafından Eskişehir Büyükşehir Belediyesi Genel Sekreterliğine atandı.
Büyükşehir Belediyesi'nde yaptığı görevler sırasında, Eskişehir'in havasını, suyunu, toprağını yok etme projesi olan Alpu Ovası'nda yapılması planlanan kömürlü termik santral başta olmak üzere, çevre katliamına sebep olacak pek çok davayı takip ederek şehrin lehine sonuçlanmasında aktif rol aldı.
Kırsal kalkınma projeleri başta olmak üzere; sivil toplumla işbirliği projelerini, özellikle kırsal bölgelerde kadınların, gençlerin ve çocukların sosyal ve kültürel hayatlarını güçlendirmek amacıyla eğitim projelerini hayata geçirdi.
Aralık 2023 tarihinde Eskişehir Büyükşehir Belediyesi Genel Sekreterliği'nden emekli olan Ünlüce, 10 Ocak 2024 tarihinde Cumhuriyet Halk Partisi Parti Meclisi tarafından Eskişehir Büyükşehir Belediye Başkan Adayı olarak ilan edildi ve 31 Mart 2024 tarihinde %51,03 oy oranıyla Eskişehir Büyükşehir Belediye Başkanı olarak seçilmiştir. Ayşe Ünlüce, iki erkek çocuk annesidir.
