อดีตเป็นนายกเทศมนตรีตำบลศรีพนมมาศ จังหวัดอุตรดิตถ์ ต่อมาปี พ.ศ. 2539 ลงสมัครรับเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรเป็นครั้งแรกในนามพรรคประชากรไทย และได้รับการเลือกตั้ง ต่อมา พ.ศ. 2544 ย้ายมาลงสมัครในนามพรรคไทยรักไทย และได้รับการเลือกตั้งติดต่อกันมาอีก 4 สมัย โดยไม่เคยสอบตก

ปลายปี พ.ศ. 2554 นายทนุศักดิ์เป็น 1 ใน 8 ส.ส. ที่ถูกยื่นถอดถอนความผิดตาม พ.ร.บ.ประกอบรัฐธรรมนูญว่าด้วยการป้องกันและปราบปรามการทุจริตแห่งชาติ(ป.ป.ช.) มาตรา 62[1]

ต่อมาวันที่ 18 มกราคม พ.ศ. 2555 ได้รับโปรดเกล้าฯ เป็นรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงการคลัง ในรัฐบาลนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร[2] แต่จากการสำรวจความพึงพอใจของประชาชน โดยสำนักเอแบคโพล เมื่อเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2555 เขาเป็นรัฐมนตรีที่ประชาชนไม่รู้จัก เป็นลำดับที่ 2[3]

สมาชิกสภาผู้แทนราษฎร

ทนุศักดิ์ เล็กอุทัย ได้รับการเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรมาแล้ว 5 สมัย คือ

1. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2539 จังหวัดอุตรดิตถ์ สังกัดพรรคประชากรไทย → พรรคเสรีธรรม (พ.ศ. 2535)
2. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2544 จังหวัดอุตรดิตถ์ สังกัดพรรคไทยรักไทย
3. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2548 จังหวัดอุตรดิตถ์ สังกัดพรรคไทยรักไทย
4. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2550 จังหวัดอุตรดิตถ์ สังกัดพรรคพลังประชาชน (พ.ศ. 2541) → พรรคเพื่อไทย
5. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2554 จังหวัดอุตรดิตถ์ สังกัดพรรคเพื่อไทย