อนุทิน เข้าสู่วงการการเมือง
พ.ศ.2539 เป็นที่ปรึกษารัฐมนตรีว่าการกระทรวงการต่างประเทศ (ประจวบ ไชยสาส์น) และดำรงตำแหน่งรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงสาธารณสุข (พ.ศ.2547 และพ.ศ.2548) และรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงพาณิชย์ (พ.ศ.2547) ต่อมาถูกตัดสิทธิทางการเมืองเป็นเวลา 5 ปี เนื่องจากเป็นกรรมการบริหารของพรรคไทยรักไทย ซึ่งถูกยุบในปี พ.ศ.2549
พ.ศ.2555 สมัครเข้าเป็นสมาชิกพรรคภูมิใจไทย หลังจากพ้นกำหนดการตัดสิทธิทางการเมือง และได้รับเลือกตั้งเป็นหัวหน้าพรรคภูมิใจไทย เมื่อวันที่ 14 ตุลาคม พ.ศ. 2555
พ.ศ.2557 ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป อนุทิน ได้สมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคภูมิใจไทย ลำดับที่ 1 แต่การเลือกตั้งเป็นโมฆะ
พ.ศ.2562 ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป อนุทิน ได้รับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคภูมิใจไทย ลำดับที่ 1 และได้รับการเสนอชื่อให้เป็นบุคคลที่พรรคการเมืองจะเสนอชื่อต่อรัฐสภาให้เป็นนายกรัฐมนตรี
หลังการเลือกตั้ง พ.ศ. 2562 นายอนุทิน และพรรคภูมิใจไทย ได้เข้าร่วมกับพรรคพลังประชารัฐ จัดตั้งรัฐบาล โดยเขาได้รับแต่งตั้งเป็นรองนายกรัฐมนตรี และรัฐมนตรีว่าการกระทรวงสาธารณสุข