ฐิติมา ฉายแสง เคยทำงานเป็นผู้เชี่ยวชาญประจำตัวนายจาตุรนต์ ฉายแสง ต่อมาได้เข้าสู่งานการเมืองโดยการสมัครรับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร จังหวัดฉะเชิงเทรา ในปี พ.ศ. 2548 สังกัดพรรคไทยรักไทย และได้รับแต่งตั้งเป็นโฆษกคณะกรรมาธิการการพาณิชย์ สภาผู้แทนราษฎร ต่อจากนั้นในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2550 สังกัดพรรคพลังประชาชน ได้รับเลือกตั้งในพื้นที่เดิม และได้รับแต่งตั้งเป็นรองประธานคณะกรรมาธิการการต่างประเทศ รวมถึงมีบทบาทในการอภิปรายในสภา จนกระทั่งได้รับฉายาจากนายประมวล เอมเปีย ส.ส.ชลบุรี พรรคประชาธิปัตย์ ว่า "นางมารร้าย"[4]

ในวันที่ 17 กุมภาพันธุ์ พ.ศ. 2553 นางฐิติมา ฉายแสง เข้าร่วมการชุมนุม กับกลุ่ม นปช.[5]

ต่อมาในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554 ได้ลงสมัครรับเลือกตั้งในพื้นที่เดิม สังกัดพรรคเพื่อไทย แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง โดยแพ้ให้กับ ดร.บุญเลิศ ไพรินทร์ จากพรรคประชาธิปัตย์[6] ต่อมาได้รับแต่งตั้งเป็นโฆษกประจำสำนักนายกรัฐมนตรี ในรัฐบาลของนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร จากนั้นได้รับแต่งตั้งเป็นรองเลขาธิการนายกรัฐมนตรีฝ่ายการเมือง แต่ยังคงปฏิบัติหน้าที่ในฐานะโฆษกประจำสำนักนายกรัฐมนตรีเช่นเดิม