Năm 2002, Đoàn Sinh Hưởng được bổ nhiệm làm Phó tư lệnh Quân khu 4. Năm 2005, ông được bổ nhiệm làm Tư lệnh Quân khu 4.
Xác định cho Đoàn Sinh Hưởng phục vụ lâu dài trong Quân đội chính là người cha Đoàn Quang Đa. Cũng trong thời điểm này, ông lập gia đình khi đang học Trường Văn hóa Quân đội ở Lạng Sơn. Lễ cưới của người anh hùng dịp nghỉ hè chỉ với trầu nước, bánh kẹo cũng giống như bao lễ cưới thôn quê thuở ấy.