ถวิล ไพรสณฑ์ เข้ารับราชการเป็นปลัดเทศบาลตำบลสุไหงโก-ลก จังหวัดนราธิวาส ต่อมาจึงได้ย้ายเข้ามาเป็นเลขานุการนายกเทศมนตรีกรุงเทพมหานคร และได้รับการเลื่อนตำแหน่งเป็นหัวหน้าเขตพระนคร เขตบางขุนเทียน และเป็นผู้อำนวยการสำนักนโยบายและแผน กรุงเทพมหานคร

จากนั้นในปี พ.ศ. 2526 ถวิล ไพรสณฑ์ จึงได้สมัครรับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดนครศรีธรรมราช เขต 2 สังกัดพรรคประชาธิปัตย์ ได้รับการเลือกตั้งเป็นสมัยแรก และ สมัยที่สอง ปี 2529 พรรคประชาธิปัตย์ จากนั้นเขาจึงย้ายมาร่วมตั้งพรรคการเมืองกับกลุ่มของนายเฉลิมพันธ์ ศรีวิกรม์ คือ พรรคประชาชน[2]

ต่อมาถวิลจึงได้ย้ายมาลงสมัครในกรุงเทพมหานคร เขต 9 ในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2535 สังกัดพรรคพลังธรรม และได้รับการเลือกตั้งอย่างต่อเนื่องเรื่อยมา ทั้งยังได้รับตำแหน่งรองประธานสภาผู้แทนราษฎร ในปี พ.ศ. 2535[3] และตำแหน่งรัฐมนตรีว่าการทบวงมหาวิทยาลัย ในปี พ.ศ. 2538[4] ด้วย จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2539 จึงได้ย้ายกลับไปสังกัดพรรคประชาธิปัตย์เช่นเดิมอีกครั้ง

ต่อมาในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554 ได้ลงสมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ[5] และได้รับเลือกตั้งเป็น ส.ส.อีกสมัย