ดร.พรเทพ เตชะไพบูลย์ เริ่มเข้าสู่งานการเมืองโดยการสมัครรับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร เมื่อปี พ.ศ. 2529 ในสังกัดพรรคประชาธิปัตย์ และได้รับการเลือกตั้งหลายสมัย ต่อมาได้รับตำแหน่งรองโฆษกประจำสำนักนายกรัฐมนตรี ในปี พ.ศ. 2532 และดำรงตำแหน่งรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงอุตสาหกรรม ในรัฐบาลของนายชวน หลีกภัย[3] เมื่อปี พ.ศ. 2538 รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม ในยุครัฐบาลชวน2 กระทั่งปี พ.ศ. 2547 จึงได้ย้ายไปสังกัดพรรคมหาชน และพรรครวมชาติพัฒนา ในปี พ.ศ. 2550

ในปี พ.ศ. 2552 ดร.พรเทพ ได้ย้ายมาสังกัดพรรคประชาธิปัตย์อีกครั้ง และได้รับแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งรองผู้ว่าราชการกรุงเทพมหานคร กระทั่งในเดือนมกราคม พ.ศ. 2555 ได้ลาออกจากตำแหน่ง โดยให้เหตุผลส่วนตัวว่าต้องดูแลบุตรชายที่ป่วย[4]