นายพรชัย อรรถปรีบางกูร เข้าสู่งานการเมืองโดยการลงสมัครรับเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2544 สังกัดพรรคไทยรักไทย และได้รับการเลือกตั้งด้วยคะแนน 39,521 คะแนน มากกว่าคู่แข่งสำคัญอย่างนายพงศ์ประยูร ราชอาภัย นักแสดงละครทางช่อง 7 สังกัดพรรคประชาธิปัตย์ และนายธวัชวงศ์ ณ เชียงใหม่ เจ้าของพื้นที่เดิม 5 สมัย ในสังกัดพรรคความหวังใหม่[2][3] ต่อมาในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2548 ยังได้รับการเลือกตั้งเป็นสมัยที่ 2 ในพื้นที่เดิม

ในปี พ.ศ. 2549 นายพรชัย เป็นนักการเมืองคนหนึ่งที่ถูกจับเชิญตัวไปสอบสวนในกรณีการเคลื่อนไหวทางการเมือง ในระหว่างประกาศกฎอัยการศึก แต่ก็ได้รับการปล่อยตัวในภายหลัง เนื่องจากเจ้าตัวให้เหตุผลว่าเข้าใจผิดว่ามีการยกเลิกประกาศแล้ว

ช่วงหลังเหตุการณ์ทางการเมืองในปี พ.ศ. 2549 นายพรชัย จึงวางมือทางการเมืองชั่วคราว

ต่อมาในปี พ.ศ. 2561 เขาได้ประกาศตัวลงสมัครรับเลือกตั้งในนามพรรคพลังประชารัฐ[4] และลงสมัครรับเลือกตั้งในพื้นที่จังหวัดเชียงใหม่ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2562 แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง[5]