นวลพรรณ ล่ำซำ สมัครเข้าเป็นสมาชิกพรรคประชาธิปัตย์ เมื่อวันที่ 4 มกราคม พ.ศ. 2549 ในตำแหน่ง "ผู้ช่วยเลขาธิการพรรคประชาธิปัตย์" หลังถูกทาบทามจากสุเทพ เทือกสุบรรณ เลขาธิการพรรคประชาธิปัตย์ และนิพนธ์ พร้อมพันธุ์ ให้เดินตามรอย โพธิพงษ์ ล่ำซำ อดีตรองหัวหน้าพรรคประชาธิปัตย์ โดยงานแรกที่นวลพรรณรับผิดชอบคือ งานฉลองครบรอบ 60 ปี พรรคประชาธิปัตย์

วันที่ 1 มีนาคม พ.ศ. 2549 นวลพรรณรับตำแหน่งที่ปรึกษาผู้ว่าราชการกรุงเทพมหานคร (อภิรักษ์ โกษะโยธิน) เพิ่มอีกตำแหน่งวันที่ 1 กันยายน พ.ศ. 2557 ถึงวันที่ 30 เมษายน พ.ศ. 2559 ดำรงตำแหน่งข้าราชการรัฐสภาฝ่ายการเมือง ตำแหน่งที่ปรึกษาประธานสภานิติบัญญัติแห่งชาติ