นายชัยวุฒิ บรรณวัฒน์ ได้รับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาจังหวัดตาก ในปี พ.ศ. 2536 และปี พ.ศ. 2538 ต่อมาได้รับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร จังหวัดตาก สมัยแรกในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2539 ในสังกัดพรรคประชาธิปัตย์ และได้รับเลือกตั้งอีกสมัยในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2544 และการเลือกตั้ง พ.ศ. 2548

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรในประเทศไทย พ.ศ. 2550 นายชัยวุฒิ ได้รับมอบหมายให้ดูแลการเลือกตั้งในโซน 1 (ภาคเหนือตอนบน 11 จังหวัด) ของพรรคประชาธิปัตย์ ร่วมกับ นายเทอดพงษ์ ไชยนันทน์ และ นางศิริวรรณ ปราศจากศัตรู พร้อมกับลงสมัคร ส.ส. จังหวัดตาก เขต 1 และสามารถชนะการเลือกตั้งได้คะแนนเป็นอันดับ 1 ของจังหวัด ภายหลังการเลือกตั้ง 23 ธันวาคม พ.ศ. 2550 พรรคประชาธิปัตย์ที่เป็นฝ่ายค้านพรรคเดียวได้ประกาศจัดตั้ง รัฐบาลเงา หรือ ครม.เงา ขึ้น ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2551 และ นายชัยวุฒิ บรรณวัฒน์ ได้รับเลือกจากที่ประชุมพรรค ให้ทำหน้าที่ รัฐมนตรีว่าการกระทรวงอุตสาหกรรมเงา[3] ต่อมาในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554 นายชัยวุฒิ ได้รับเลือกตั้งต่อเนื่องเป็นสมัยที่ 4 ในพื้นที่จังหวัดตาก