ใน พ.ศ. 2518 ได้สมัครเข้าเป็นสมาชิกพรรคกิจสังคมและใน พ.ศ. 2519 ได้ลงสมัครรับเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดลพบุรีในนามพรรคกิจสังคมแต่ก็ไม่ได้รับเลือกต่อมาในปี พ.ศ. 2538 ได้ลงสมัครรับเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดเพชรบุรีในนามพรรคชาติไทยแต่ก็ไม่ได้รับเลือกอีก จนกระทั่งในการเลือกตั้งวันที่ 17 พฤศจิกายน 2539 ก็ได้รับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดเพชรบุรี พรรคความหวังใหม่

พิเชษฐ สถิรชวาล เป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรแบบบัญชีรายชื่อ พรรคความหวังใหม่[4] และได้รับโปรดเกล้าฯแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงอุตสาหกรรมในรัฐบาลพันตำรวจโททักษิณ ชินวัตรในโควตาพรรคความหวังใหม่ในวันที่ 17 กุมภาพันธ์ 2544 และต่อมาหลังจากมีการยุบพรรคความหวังใหม่รวมกับพรรคไทยรักไทยและการปฏิรูปกระทรวง ทบวง กรมในปี 2545 ก็ได้รับโปรดเกล้าฯแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีช่วยว่าการการกระทรวงคมนาคมในวันที่ 3 ตุลาคม 2545[5]

ในเดือนสิงหาคม 2546 ศาลรัฐธรรมนูญได้วินิจฉัยให้พิเชษฐพ้นจากความเป็นรัฐมนตรีเนื่องจากจงใจยื่นบัญชีทรัพย์สินอันเป็นเท็จ รวมถึงห้ามไม่ให้ดำรงตำแหน่งทางการเมืองเป็นเวลา 5 ปี[6] โดยช่วงเวลาห้ามดำรงตำแหน่งทางการเมืองก็ได้ผันตัวเองไปทำงานด้านกิจการศาสนาอิสลามในตำแหน่งเลขาธิการคณะกรรมการกลางอิสลามแห่งประเทศไทย

หลังจากพ้นช่วงเวลาการห้ามดำรงตำแหน่งทางการเมืองก็ได้จัดตั้งพรรคการเมืองขึ้นโดยมีชื่อว่าพรรคสันติภาพไทยซึ่งเป็นพรรคการเมืองแนวมุสลิม[7]โดยพิเชษฐดำรงตำแหน่งประธานที่ปรึกษาพรรค อย่างไรก็ตามนายสมัคร สุนทรเวชหัวหน้าพรรคพลังประชาชน ในขณะนั้นได้เชิญพรรคสันติภาพไทยเข้าร่วมกับพรรคพลังประชาชน[8] ต่อมาสมาชิกพรรคสันติภาพไทยได้ตั้งกลุ่มการเมืองชื่อกลุ่มสันติภาพไทยซึ่งพิเชษฐเป็นประธานที่ปรึกษากลุ่มแล้วเข้าสังกัดพรรครวมใจไทยชาติพัฒนา[9]โดยที่ไม่ได้เข้าสังกัดพรรคพลังประชาชน อย่างไรก็ตามในการเลือกตั้งวันที่ 23 ธันวาคม 2550 กลุ่มสันติภาพไทยไม่ได้รับเลือกเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร

เมื่อศาลรัฐธรรมนูญตัดสินให้ยุบพรรคพลังประชาชนทำให้สมาชิกสภาผู้แทนราษฎรพรรคพลังประชาชนเดิมเข้าสังกัดพรรคเพื่อไทย ซึ่งต่อมาพิเชษฐก็เข้าสังกัดพรรคเพื่อไทยโดยได้รับแต่งตั้งให้เป็นประธานภาคใต้พรรคเพื่อไทย ต่อมาเมื่อพลเอกชวลิต ยงใจยุทธเข้าสมัครเป็นสมาชิกพรรคเพื่อไทยและได้รับแต่งตั้งเป็นประธานพรรคและประธานภาคใต้ของพรรคเพื่อไทยพลเอกชวลิตก็ได้แต่งตั้งพิเชษฐเป็นประธานโซนอันดามันพรรคเพื่อไทย[10]

ในปี พ.ศ. 2554 พิเชษฐได้รับการแต่งตั้งให้เป็นที่ปรึกษานายกรัฐมนตรีทำหน้าที่ผู้แทนการค้าไทยในรัฐบาลนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร[11]

ต่อมาพิเชษฐได้มายื่นจดทะเบียนจัดตั้งพรรคการเมืองใหม่ชื่อ พรรคประชาธรรมไทย[12] เมื่อวันศุกร์ที่ 9 มีนาคม พ.ศ. 2561 ต่อ คณะกรรมการการเลือกตั้ง มีพิเชษฐเป็นหัวหน้าพรรค โดนชูนโยบายแก้ไขปัญหา 3 จังหวัดชายแดนใต้ [13]