ชาติชาย พุคยาภรณ์ เป็นผู้สมัครสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร ระบบบัญชีรายชื่อของพรรคไทยรักไทย เมื่อปี พ.ศ. 2548 เคยเป็นผู้ช่วยนายสุรนันทน์ เวชชาชีวะ รัฐมนตรีประจำสำนักนายกรัฐมนตรี ในรัฐบาลสมชาย วงศ์สวัสดิ์ ทำหน้าที่เป็นเลขานุการ นายแพทย์วรรณรัตน์ ชาญนุกูล รัฐมนตรีว่าการกระทรวงพลังงาน และเคยเป็นผู้จัดการทีมฟุตบอลหญิงทีมชาติไทยต่อจากนางนฤมล ศิริวัฒน์

ชาติชาย พุคยาภรณ์ เป็นนักการเมืองระดับนายทุนของกลุ่มเพื่อนเนวิน โดยประสานกับกลุ่มสรอรรถ กลิ่นประทุม และได้รับตำแหน่งรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงเกษตรและสหกรณ์ โดยการสนับสนุนจากนายสรอรรถ กลิ่นประทุม รวมทั้งนายชาติชายพบว่ายังมีความมักคุ้นกับนายเนวิน ชิดชอบ จนก่อนหน้านี้นายเนวินเคยผลักดันผ่านนายสุพล ฟองงาม อดีต รมช.มหาดไทย สังกัดกลุ่มเพื่อนเนวิน ตั้งนายชาติชายให้เข้าไปเป็นบอร์ดการประปาส่วนภูมิภาค ชุดเดียวกับ พล.ต.อ.โกวิท วัฒนะ อดีต รมว.มหาดไทย

นายชาติชาย พุคยาภรณ์ ได้รับตำแหน่งรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงเกษตรและสหกรณ์ [1] ในการร่วมรัฐบาลนายอภิสิทธ์ เวชชาชีวะ พ.ศ. 2551 และลาออกเพื่อหลีกทางให้นายศุภชัย โพธิ์สุ ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2552[2] ต่อมาจึงย้ายมาร่วมกิจกรรมทางการเมืองกับพรรคชาติพัฒนาเพื่อแผ่นดิน[3]

ในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554 ได้ย้ายมาลงสมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคชาติพัฒนาเพื่อแผ่นดิน[4] แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง