ธวัชชัย อนามพงษ์ เป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดจันทบุรี ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2529 จากการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2529 ในสังกัดพรรคประชาธิปัตย์ ต่อมาในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2531 และ พ.ศ. 2535 (มีนาคม) ได้ย้ายมาสังกัดพรรคประชากรไทย และได้รับเลือกตั้งทั้ง 2 ครั้ง กระทั่งปี พ.ศ. 2535 (กันยายน) เขาไม่ได้รับเลือกตั้ง

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2538 เขาย้ายมาลงสมัครรับเลือกตั้งในสังกัดพรรคชาติพัฒนา และได้รับเลือกตั้งเป็นสมัยที่ 4 รวมถึงในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2539 และ พ.ศ. 2544 เป็นสมัยที่ 5-6

เขาได้รับเลือกตั้งอีกครั้งเป็นสมัยที่ 7 ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2550 ในสังกัดพรรคประชาธิปัตย์ รวมถึงในปี พ.ศ. 2554 และเขาได้รับแต่งตั้งเป็นประธานคณะกรรมาธิการส่งเสริมผลผลิตเกษตรกรรม ในสภาผู้แทนราษฎรไทย ชุดที่ 24

กระทั่ง พ.ศ. 2561 นายธวัชชัยให้สัมภาษณ์ว่าได้ย้ายจากพรรคประชาธิปัตย์มาสังกัด พรรครวมพลังประชาชาติไทย แต่ในเวลาต่อมาได้ย้ายมาสังกัด พรรคพลังประชารัฐ [1] เขาลงสมัครรับเลือกตั้งในพื้นที่จังหวัดจันทบุรีในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2562 แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง[2]