เป็นที่รู้จักครั้งแรกในปี พ.ศ. 2544 เมื่อประกาศลงสมัครรับเลือกตั้งในสังกัดพรรคไทยรักไทย ในเขต 10 กรุงเทพมหานคร ซึ่งประกอบด้วยเขตห้วยขวาง โดย ดร.ณหทัย เป็นที่โดดเด่นและถูกจับตามองอย่างมากจากสังคม เพราะเป็นผู้สมัครที่เป็นผู้หญิงสวยและมีชาติตระกูลดี มีการศึกษา โดยคู่แข่งคนคนสำคัญคือ นายอิสรา สุนทรวัฒน์ บุตรชายอดีต ผอ.อสมท นายแสงชัย สุนทรวัฒน์ จากพรรคประชาธิปัตย์ ซึ่งมีภาพลักษณ์คนรุ่นใหม่เช่นเดียวกัน การสำรวจความนิยมของทั้งคู่ก่อนการเลือกตั้งคู่คี่มาก ท้ายสุด ผลการเลือกตั้งออกมา ปรากฏว่า ดร.ณหทัย มีคะแนนตามหลังนายอิสราเพียง 102 คะแนน ทำให้นายอิสรา ได้เป็น ส.ส.ในเขตนี้ไป

แต่หลังจากนั้น ดร.ณหทัย ก็ไม่ทิ้งงานการเมือง รับตำแหน่งเป็นรองโฆษกประจำสำนักนายกรัฐมนตรี ช่วงปี พ.ศ. 2544 - พ.ศ. 2547 ผู้ช่วยเลขาธิการ รัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการ, ผู้ช่วยเลขาธิการ รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงสาธารณสุข, โฆษกประจำกระทรวงพาณิชย์

จากนั้น ในการเลือกตั้ง ปี พ.ศ. 2548 ดร.ณหทัย ได้ลงสมัครในเขตเดิมอีก พบกับคู่แข่งคนเดิมอีก และได้รับการเลือกตั้งด้วยคะแนนเสียงกว่า 32,000 คะแนน และในช่วงปี พ.ศ. 2548 ดร.ณหทัย ได้รับคัดเลือกจาก World Economic Forum ให้เป็นหนึ่งในสมาชิกของ Young Global Leaders ด้วย

ในช่วงหลังจากการรัฐประหารในคืนวันที่ 19 กันยายน พ.ศ. 2549 และพรรคไทยรักไทยถูกยุบในเวลาต่อมาจากกาคดีว่าจ้างพรรคเล็กลง เลือกตั้งในวันที่ 2 เมษายน พ.ศ. 2549 บทบาททางการเมืองของ ดร.ณหทัย ทิวไผ่งาม ก็ได้เงียบหายไปและได้ผันตัวมาดูแลสานต่อกิจการต่างๆ ของครอบครัวอย่างเต็มตัว โดยเป็นประธานที่ปรึกษา ของโรงเรียนทิวไผ่งาม ดูแลและพัฒนาโรงเรียน เป็นรุ่นที่ 2 ต่อจาก นายณรงค์ ทิวไผ่งาม และ นางอุษา ทิวไผ่งาม โดย มีน้องชายคือ ดร.ณัฐกฤษฎ์ ทิวไผ่งาม คอยดูแลด้วย

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2562 ดร.ณหทัย ทิวไผ่งามได้สร้างความฮือฮาไม่น้อยด้วยการกลับสู่สนามการเมืองระดับชาติอีกครั้งหลังจากที่วางมือไปนานกว่าสิบปี [3] และเป็นหนึ่งในบุคคลที่ได้รับการเสนอชื่อจากพรรคประชาชาติต่อคณะกรรมการการเลือกตั้ง (กกต.) ให้เป็นนายกรัฐมนตรี [4] ปัจจุบันเธอดำรงตำแหน่งรองหัวหน้าพรรคประชาชาติ