พ.ศ. 2549 นิติภูมิธณัฐลงสมัครรับเลือกตั้งเป็นสมาชิกวุฒิสภา หมายเลขประจำตัวผู้สมัคร 164 ได้รับคะแนนเป็น อันดับ 1 ของกรุงเทพมหานคร คือ 257,420 คะแนน[10] ชนะนายสมัคร สุนทรเวช,นายกล้านรงค์ จันทิก, นางสาวรสนา โตสิตระกูล, นายอุทัย พิมพ์ใจชน, นายพิจิตต รัตตกุล และผู้สมัครอื่นรวมทั้งหมด 260 คนของกรุงเทพมหานคร และได้ที่ 1 จากผู้สมัครทั่วประเทศ [11] ขณะรอการรับรอง มีการปฏิวัติรัฐประหารโดยคณะปฏิรูปการปกครองในระบอบประชาธิปไตยอันมีพระมหากษัตริย์ทรงเป็นประมุข เมื่อ 19 กันยายน พ.ศ. 2549 พ.ศ. 2549 ได้รับพระบรมราชโองการโปรดเกล้าฯ แต่งตั้งเป็นสมาชิกสภานิติบัญญัติแห่งชาติ ระหว่างนั้นทำหน้าที่เป็นโฆษกกรรมาธิการการพาณิชย์ ประธานกลุ่มมิตรภาพสมาชิกรัฐสภาไทย-ฮังการี กรรมการบริหารหน่วยประจำชาติไทยในสหภาพรัฐสภา (IPU) และกรรมการบริหารหน่วยประจำชาติไทยในสมัชชารัฐสภาอาเซียน[12]8 กันยายน พ.ศ. 2551 เขาก่อตั้งพรรคสุวรรณภูมิ และดำรงตำแหน่งเป็นหัวหน้าพรรคเป็นระยะเวลา 1 ปีเต็ม จากนั้นก็สมัครเข้าเป็นสมาชิกพรรคเพื่อไทยเมื่อ 8 มกราคม พ.ศ. 2553[13] และเป็นผู้สมัครสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร แบบบัญชีรายชื่อ ลำดับที่ 24 ของพรรคเพื่อไทย ในการเลือกตั้งทั่วไปเมื่อ 3 กรกฎาคม พ.ศ. 2554 เขาเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรชุดที่ 24 ของรัฐสภาไทย[14] จนกระทั่งมีพระราชกฤษฎีกายุบสภาเมื่อ 9 ธันวาคม พ.ศ. 2556 ระหว่างเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร ชุดที่ 24 เขาดำรงตำแหน่ง รองประธานคนที่ 1 ของคณะกรรมาธิการการที่ดิน ทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม และคณะกรรมาธิการการต่างประเทศ[15] นอกจากนั้น ยังเป็นรองประธานกลุ่มมิตรภาพสมาชิกรัฐสภาไทย-อินเดีย[16] หน่วยบริหารประจำชาติไทยในสหภาพรัฐสภา (IPU) เคยปฏิบัติหน้าที่สำคัญเป็นหัวหน้าคณะผู้แทนรัฐสภาไทยในการประชุมคณะกรรมาธิการเตรียมการจัดการประชุมรัฐสภาว่าด้วยองค์การการค้าโลก ณ สำนักงานรัฐสภายุโรป กรุงบรัสเซลส์ เบลเยียม 2555[17] หัวหน้าคณะผู้แทนรัฐสภาไทยในการประชุมรัฐสภาว่าด้วยองค์การการค้าโลก ณ สำนักงานองค์การการค้าโลก นครเจนีวา สมาพันธรัฐสวิส 2555[18] ผู้แทนรัฐสภาไทยในการประชุมรัฐสภาในโอกาสการประชุมสมัชชาสหประชาชาติ ครั้งที่ 68 ณ สำนักงานใหญ่ นครนิวยอร์ก สหรัฐอเมริกา 2556ในวันที่ 1 กันยายน พ.ศ. 2561 ได้รับการเลือกตั้งเป็นรองหัวหน้าพรรคประชาชาติ