พรรคชาติพัฒนา

ณัฐวุฒิเริ่มเล่นการเมือง โดยเข้าสังกัดพรรคชาติพัฒนา และลงสมัครรับเลือกตั้ง ในวันที่ 6 มกราคม พ.ศ. 2544 จากการชักชวนของธีรศักดิ์ นาคแก้ว ผู้เป็นน้าชาย แต่ได้คะแนนเป็นอันดับสอง โดยพ่ายแพ้คู่แข่งจากพรรคประชาธิปัตย์เพียง 4,000 เสียง

พรรคไทยรักไทย

ต่อมา ณัฐวุฒิเข้าสังกัดพรรคไทยรักไทย โดยร่วมทีมปราศรัยล่วงหน้าของ พ.ต.ท.ดร.ทักษิณ ชินวัตร และได้รับแต่งตั้งเป็นหนึ่งในคณะทำงานโฆษกพรรคไทยรักไทย ต่อมา พรรคคัดเลือกให้ลงสมัครรับเลือกตั้ง เป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร เมื่อวันที่ 2 เมษายน พ.ศ. 2549 และได้รับเลือกเป็น ส.ส.[ต้องการอ้างอิง] แต่เกิดการรัฐประหาร 19 กันยายนขึ้นเสียก่อน

แกนนำ นปก.

เมื่อวันที่ 20 กันยายน พ.ศ. 2549 ณัฐวุฒิ ร่วมกับวีระ มุสิกพงศ์ และจตุพร พรหมพันธุ์ เดินทางมาพบกันยังที่ทำการพรรคเพื่อไทย เพื่อแถลงข่าวต่อต้านการรัฐประหาร ต่อมาช่วงต้นปี พ.ศ. 2550 สถานีโทรทัศน์พีทีวีถูกปิดกั้นสัญญาณดาวเทียม จนไม่สามารถออกอากาศได้ ผู้บริหารและผู้จัดรายการจึงออกมาปราศรัยที่ท้องสนามหลวง จนกระทั่งร่วมกับหลายองค์กรประชาธิปไตยภาคประชาชน จัดตั้งขึ้นเป็นองค์กรหลักภายใต้ชื่อ แนวร่วมประชาธิปไตยขับไล่เผด็จการ (นปก.) ในเวลาต่อมา โดยณัฐวุฒิเข้ารับตำแหน่งเป็นแกนนำคนหนึ่ง และขึ้นปราศรัยต่อต้านคณะมนตรีความมั่นคงแห่งชาติ และรัฐบาลพลเอกสุรยุทธ์ จุลานนท์ มาโดยตลอด

โฆษกประจำสำนักนายกรัฐมนตรี

ราวกลางปี พ.ศ. 2550 ณัฐวุฒิเข้าสังกัดพรรคพลังประชาชน พร้อมลงสมัครรับเลือกตั้ง ส.ส.ระบบสัดส่วน กลุ่มที่ 8 พื้นที่จังหวัดภาคใต้ตอนล่าง เมื่อวันที่ 6 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2551 แต่ไม่ได้รับการเลือกตั้ง จากนั้นจึงได้รับแต่งตั้งให้เป็น รองโฆษกประจำสำนักนายกรัฐมนตรี ในรัฐบาลที่นำโดยสมัคร สุนทรเวช และหลังจากที่สมชาย วงศ์สวัสดิ์ ได้รับการแต่งตั้งเป็นนายกรัฐมนตรี ณัฐวุฒิก็ได้รับการแต่งตั้งเป็น โฆษกประจำสำนักนายกรัฐมนตรี ในรัฐบาลชุดนี้

เลขาธิการและโฆษก นปช.แดงทั้งแผ่นดิน

หลังจากรัฐบาลพลเอกสุรยุทธ์สิ้นสุดลง นปก.จึงเปลี่ยนชื่อองค์กรใหม่เป็น แนวร่วมประชาธิปไตยต่อต้านเผด็จการแห่งชาติ และเปลี่ยนชื่อย่อเป็น นปช. โดยณัฐวุฒิยังเป็นแกนนำอยู่ตามเดิม และหลังเหตุการณ์ความไม่สงบทางการเมืองในประเทศไทย เมษายน พ.ศ. 2552 ในรัฐบาลอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ เมื่อปี พ.ศ. 2552 ซึ่งณัฐวุฒิถูกควบคุมตัว พร้อมกับวีระ มุสิกพงศ์ นายแพทย์เหวง โตจิราการ และแกนนำคนอื่นๆ ในข้อหาก่อการร้าย[ต้องการอ้างอิง]

พรรคเพื่อไทย

ในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554 ณัฐวุฒิได้รับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร แบบบัญชีรายชื่อ ในสังกัดพรรคเพื่อไทย และเป็นที่คาดหมายว่าจะได้รับตำแหน่งรัฐมนตรีประจำสำนักนายกรัฐมนตรี (ดูแลสื่อมวลชน)[6] แต่ในการแต่งตั้งรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 9 สิงหาคม กลับไม่มีชื่อของณัฐวุฒิในตำแหน่งใดๆ

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2557 เขาได้สมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคเพื่อไทย ลำดับที่ 19[7]

รัฐมนตรี

ณัฐวุฒิได้รับโปรดเกล้าฯ ให้ดำรงตำแหน่งรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงเกษตรและสหกรณ์ ในรัฐบาลยิ่งลักษณ์ ชินวัตร (2) เมื่อวันที่ 18 มกราคม พ.ศ. 2555[8] แทนนายพรศักดิ์ เจริญประเสริฐ ต่อมาได้รับแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงพาณิชย์ ในรัฐบาลนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร (ครม.ยิ่งลักษณ์ 3)[9]