นายแพทย์ พฤฒิชัย เคยทำงานเป็นแพทย์ประจำโรงพยาบาลสุรินทร์ จากนั้นจึงหันเหเข้าสู่วงการการเมืองในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร ปี พ.ศ. 2544 ในสังกัดพรรคไทยรักไทย ได้รับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรกรุงเทพมหานคร (เขตบึงกุ่ม) และได้รับแต่งตั้งเป็นที่ปรึกษารัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงคมนาคม

ในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2550 นายแพทย์พฤฒิชัย ได้ย้ายมาสังกัดพรรคเพื่อแผ่นดิน โดยได้รับการแต่งตั้งเป็นรองหัวหน้าพรรค ซึ่งในการร่วมรัฐบาลของนายสมชาย วงศ์สวัสดิ์ ได้รับการแต่งตั้งเป็นที่ปรึกษารัฐมนตรีว่าการกระทรวงการคลัง และได้รับตำแหน่งรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงการคลัง ในรัฐบาลนายอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ [1] ซึ่งการทำงานของนายแพทย์พฤฒิชัย ดำรงรัตน์ ได้รับฉายาจากพรรคเพื่อไทย เป็น 1 ใน 10 รัฐมนตรีไร้ผลงาน ว่า "รัฐมนตรีเงียบสงัด เหงา"[2]

ในการปรับคณะรัฐมนตรีหลังการอภิปรายไม่ไว้วางใจ เมื่อวันที่ 6 มิถุนายน พ.ศ. 2553 นายแพทย์พฤฒิชัย ดำรงรัตน์ ถูกปรับออกจากตำแหน่ง [3]

นายแพทย์ พฤฒิชัย ได้รับตำแหน่งรองหัวหน้าพรรคเพื่อแผ่นดิน เมื่อวันที่ 20 เมษายน พ.ศ. 2552 และได้ลาออกจากตำแหน่งพร้อมกับกรรมการบริหารพรรคจำนวนหลายคน ในช่วงเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2553 ต่อมาในวันที่ 27 เมษายน พ.ศ. 2554 ได้รับตำแหน่งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร แบบสัดส่วน แทนนายถิรชัย วุฒิธรรม ที่ลาออกไปร่วมงานกับพรรคเพื่อไทย[4]