ธวัช บุญเฟื่อง เข้ารับราชการตำรวจจนกระทั่งได้รับแต่งตั้งเป็นรองผู้บัญชาการตำรวจภูธร ภาค 8 ต่อมาได้สมัครเข้าเป็นสมาชิกพรรคเพื่อไทย โดยถูกจัดอยู่ในผู้สมัครสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร แบบบัญชีรายชื่อ ลำดับที่ 90[1] และได้รับแต่งตั้งเป็นรองเลขาธิการนายกรัฐมนตรี ฝ่ายการเมือง ในรัฐบาลของนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร[2] ซึ่งในช่วงเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2555 ได้รับแต่งตั้งให้รักษาการเลขาธิการนายกรัฐมนตรี แทนนายบัณฑูร สุภัควณิช ที่ลาออกจากตำแหน่ง[3] จนกระทั่งมีการแต่งตั้งนายสุรนันทน์ เวชชาชีวะ ดำรงตำแหน่งดังกล่าวในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2555

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2557 เขาได้สมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคเพื่อไทย ลำดับที่ 92[4]