นายธนาธร เข้าสู่งานการเมืองในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2550 ได้ลงสมัครรับเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดลำปาง สังกัดพรรคพลังประชาชน และมีส่วนสนับสนุนนายสมโภช สายเทพ ลงสมัครรับเลือกตั้งซ่อมแทนนายกิตติกร โล่ห์สุนทร

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2554 เขาได้ลงสมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคเพื่อไทย ลำดับที่ 89[3] แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง ต่อมาเขาได้รับแต่งตั้งเป็นผู้ช่วยเลขานุการรัฐมนตรีว่าการกระทรวงการคลัง