นายแพทย์ พลเดช ปิ่นประทีป รับราชการในกระทรวงสาธารณสุข และเคยดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการโรงพยาบาลในจังหวัดพิษณุโลก ต่อมาได้เข้ามาทำงานการเมืองในตำแหน่งเลขานุการรัฐมนตรีว่าการกระทรวงการพัฒนาสังคมและความมั่นคงของมนุษย์ (ไพบูลย์ วัฒนศิริธรรม) ซึ่งภายหลังได้รับการแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่ง รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงการพัฒนาสังคมและความมั่นคงของมนุษย์[3] ในปี พ.ศ. 2550 เพื่อช่วยงานของไพบูลย์ วัฒนศิริธรรม ซึ่งได้รับการแต่งตั้งเป็นรองนายกรัฐมนตรีอีกตำแหน่งหนึ่ง

หลังจากพ้นจากตำแหน่งรัฐมนตรีในปี พ.ศ. 2551 เขาได้ไปดำรงตำแหน่งเลขาธิการสถาบันชุมชนท้องถิ่นพัฒนา และ กรรมการนโยบายองค์การกระจายเสียงและแพร่ภาพสาธารณะแห่งประเทศไทย

พลเดช ปิ่นประทีป ได้เข้ามามีบทบาททางการเมืองอีกครั้ง ภายหลังการชุมนุมของกลุ่มคนเสื้อแดง พ.ศ. 2553 ยุติลง โดยเข้ามาทำหน้าที่เป็นคณะกรรมการสมัชชาปฏิรูปประเทศ ซึ่งประกอบด้วยคณะกรรมการ จำนวน 27 คน เพื่อรวบรวมข้อมูล รับฟังความคิดเห็น และนำไปสู่นโยบายในการปฏิรูปประเทศไทย [4]

หลังรัฐประหารในประเทศไทย พ.ศ. 2557 พลเดช ได้รับแต่งตั้งเป็นสมาชิกสภาปฏิรูปแห่งชาติ และในปี พ.ศ. 2559 เขาได้รับแต่งตั้งเป็นเลขาธิการคณะกรรมการสุขภาพแห่งชาติ[5]

ในวันที่ 8 สิงหาคม พ.ศ. 2560 ได้รับแต่งตั้งเป็น กรรมการในคณะกรรมการผู้ทรงคุณวุฒิดิจิทัลเพื่อเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ สำนักงานคณะกรรมการดิจิทัลเพื่อเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ และได้รับการแต่งตั้งเป็นกรรมการในคณะกรรมการปฏิรูปประเทศด้านสาธารณสุข [6]

ใน พ.ศ. 2561 ได้ร่วมก่อตั้ง พรรคพลังประชารัฐ แต่นายแพทย์พลเดชขอเป็นเพียงผู้ก่อตั้ง ไม่ขอเป็นผู้บริหารพรรค และไม่ขอลงสมัคร ส.ส.