อดีตเป็นสมาชิกสภาจังหวัด สมาชิกสภาองค์การบริหารส่วนจังหวัด รองนายกองค์การบริหารส่วนจังหวัด และนายกองค์การบริหารส่วนจังหวัดลพบุรี ตามลำดับ รวมทั้งเป็นประธานแนวร่วมประชาธิปไตยต่อต้านเผด็จการแห่งชาติจังหวัดลพบุรี[2]

ปี พ.ศ. 2554 ลงสมัครสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรในสังกัดพรรคเพื่อไทย และได้รับการเลือกตั้งเป็นครั้งแรก โดยสามารถเอาชนะนางผ่องศรี ธาราภูมิ อดีต ส.ส.พรรคประชาธิปัตย์ และนายรังสรรค์ สละชีพ จากพรรคภูมิใจไทย

สมาชิกสภาผู้แทนราษฎร

พิชัย เกียรติวินัยสกุล ได้รับการเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรมาแล้ว 1 สมัย คือ

1. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2554 จังหวัดลพบุรี สังกัดพรรคเพื่อไทย