นายดนุพร เริ่มงานการเมืองด้วยการเข้าสังกัดพรรคไทยรักไทย ซึ่งเป็นการทำงานการเมืองคนละขั้วกับพี่ชาย (นายพุทธิพงษ์ ปุณณกันต์) แต่ก็ยังได้รับการแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งที่ปรึกษารัฐมนตรีว่าการกระทรวงสาธารณสุขเป็นตำแหน่งแรกในทางการเมือง ต่อมาได้ลงสมัครรับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร พ.ศ. 2548 ในเขตสาธรและยานนาวา กรุงเทพมหานคร แต่ไม่ได้รับเลือก โดยแพ้ให้กับ กรณ์ จาติกวณิช ผู้สมัครจากพรรคประชาธิปัตย์ ต่อมาในวันที่ 15 มีนาคม พ.ศ. 2548 ได้รับแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งรองโฆษกประจำสำนักนายกรัฐมนตรี

การเลือกตั้งในวันที่ 2 เมษายน พ.ศ. 2549 ซึ่งพรรคร่วมฝ่ายค้าน (พรรคประชาธิปัตย์, พรรคชาติไทย และพรรคมหาชน) ได้ประกาศบอยคอตไม่ลงเลือกตั้ง โดยนายดนุพรได้รับเลือกด้วยคะแนนมากกว่าร้อยละ 20 แต่ศาลรัฐธรรมนูญได้มีมติให้การเลือกตั้งเป็นโมฆะ และกำหนดวันเลือกตั้งใหม่ในวันที่ 15 ตุลาคม พ.ศ. 2549 แต่ต้องยกเลิกไปเนื่องจากเกิดการรัฐประหาร

ภายหลังจากการยุบพรรคไทยรักไทย นายดนุพร ลงสมัครรับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรอีกครั้งใน เขต 7 กรุงเทพมหานคร (บางกะปิ, สะพานสูง, มีนบุรี และลาดกระบัง) ในนามพรรคพลังประชาชน และได้รับเลือกเป็นอันดับที่ 1 ของเขตเลือกตั้ง นอกจากนี้นายดนุพรยังได้ดำรงตำแหน่งโฆษกคณะกรรมาธิการการต่างประเทศ สภาผู้แทนราษฎรอีกด้วย

ต่อมาเมื่อวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2551 ตุลาการศาลรัฐธรรมนูญได้วินิจฉัยให้ยุบพรรคพลังประชาชน ร่วมกับพรรคมัชฌิมาธิปไตย และพรรคชาติไทย และตัดสิทธิ์ทางการเมืองของคณะกรรมการบริหารพรรคคนละ 5 ปี รวม 109 คน (พรรคพลังประชาชน 37 คน,พรรคมัชฌิมาธิปไตย 29 คน และพรรคชาติไทย 43 คน) นายดนุพร จึงย้ายไปสังกัดพรรคเพื่อไทย และยังได้รับมอบหมายให้ทำหน้าที่โฆษกคณะทำงานเตรียมการอภิปรายไม่ไว้วางใจของฝ่ายค้านอีกด้วย

และในการเลือกตั้งปี 2554 นี้ นายดนุพร ได้ย้ายมาลงสมัครในแบบบัญชีรายชื่อ อันดับที่ 62 ของพรรคเพื่อไทย[4] โดยไม่ได้รับเลือก แต่เนื่องจากนายบัณฑูร สุภัควณิช ได้ลาออกจากการเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฏร ระบบบัญชีรายชื่อ พรรคเพื่อไทย เนื่องจากไปเป็นข้าราชการการเมือง เลยส่งผลให้นายดนุพร ได้รับการเลื่อนขึ้นเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร สังกัดพรรคเพื่อไทย[5] ซึ่งในการเลือกตั้งครั้งนี้นายดนุพร ได้หาเสียงเพื่อช่วยผู้สมัครพรรคเพื่อไทย เรียกร้องว่าถ้าพรรคเพื่อไทยได้เสียงลำดับ 1 แล้วไม่ได้จัดตั้งรัฐบาล ขอให้ลุกขึ้นมาสวมเสื้อแดงแล้วไปราชประสงค์กันอีกรอบ และเรียกร้องว่าทำไมกรณี 91 ศพ อภิสิทธิ์ เวชชาชีวะจึงไม่รับผิดชอบ[6]

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2557 เขาได้สมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคเพื่อไทย ลำดับที่ 87[7]