พล.ร.ต.ถวัลย์ ธำรงนาวาสวัสดิ์ เป็นบุคคลหนึ่งที่ได้เข้าร่วมในการปฏิวัติเปลี่ยนแปลงการปกครองเมื่อ พ.ศ. 2475 โดยตัดสินใจเป็นสมาชิกคณะราษฎรเพียง 1 วันเท่านั้นก่อนการปฏิวัติ จากการชักชวนของ หลวงสินธุสงครามชัย (สินธุ์ กมลนาวิน) เพื่อนนายทหารเรือด้วยกัน ที่เป็นหัวหน้าฝ่ายทหารเรือในคณะราษฎร หลังจากที่ได้ทาบทามมาก่อนหน้านั้น โดยมาชักชวนถึงที่บ้านพักในตรอกวัดสามพระยาวรวิหาร บางขุนพรหม ในเวลาเย็น จึงตัดสินใจเข้าร่วมด้วยในขณะนั้น โดยในเวลาประมาณ 03.00 น. ของเช้าวันที่ 24 มิถุนายน พ.ศ. 2475 ซึ่งเป็นวันปฏิวัติ พล.ร.ต.ถวัลย์ ขณะนั้นอยู่ในยศ เรือโท (ร.ท.) ได้ออกจากบ้านพักมาคนเดียวด้วยรถลาก มาที่ท่าราชวรดิฐ ซึ่งเป็นจุดนัดพบตามแผน ซึ่ง พล.ร.ต.ถวัลย์ ได้พกปืนพกขนาด 6.35 มิลลิเมตร (6.35 ม.ม.) พร้อมด้วยกระสุนมาด้วย [8]

จากนั้นเมื่อเปลี่ยนแปลงการปกครองสำเร็จแล้ว ได้เริ่มบทบาททางการเมืองโดยได้รับแต่งตั้งให้เป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรประเภทที่ 2 (ส.ส.ประเภทที่ 2) และได้เข้าร่วมในคณะรัฐมนตรี ครั้งแรกในสมัยรัฐบาลของพันเอก พระยาพหลพลพยุหเสนา เมื่อปี พ.ศ. 2476 และเมื่อปี พ.ศ. 2477 ภายหลังจากพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว (รัชกาลที่ 7) ทรงสละราชสมบัติ ได้รับการแต่งตั้งจากรัฐบาล ให้เป็นหัวหน้าคณะ เดินทางไปกราบบังคมทูลเชิญ พระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอานันทมหิดล ที่ประทับอยู่ ณ ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ เสด็จขึ้นครองราชย์ เป็นพระมหากษัตริย์รัชกาลที่ 8 ในราชวงศ์จักรีสืบไป ในปี พ.ศ. 2479 - พ.ศ. 2481 ได้รับแต่งตั้งให้เป็นรัฐมนตรีว่าการกระทรวงมหาดไทย ต่อมาได้รับแต่งตั้งให้เป็น รัฐมนตรีว่าการกระทรวงยุติธรรม ในสมัยรัฐบาลของ จอมพล แปลก พิบูลสงคราม และรัฐมนตรีว่าการกระทรวงยุติธรรม ในสมัยรัฐบาลของ นายปรีดี พนมยงค์

เขาเคยทำหน้าที่รักษาการหัวหน้าสำนักงานโฆษณาการ (หรือกรมประชาสัมพันธ์ในปัจจุบัน) ในปี พ.ศ. 2476[9]