นายพีระพันธุ์ มีประสบการณ์ทำงานเป็นผู้พิพากษาและข้าราชการตุลาการมาก่อน เข้าสู่แวดวงการเมืองโดยลงสมัครรับเลือกตั้ง ส.ส.กรุงเทพมหานคร เขตห้วยขวาง ดินแดง พญาไท ในปี พ.ศ. 2539 ร่วมทีมกับ นายอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ และ นายธารินทร์ นิมมานเหมินท์ บทบาทในสภา ฯ ของนายพีระพันธุ์ เป็นไปในทางการตรวจสอบการทุจริต โดยเฉพาะอย่างยิ่งการทุจริตจัดซื้ออาวุธยุทโธปกรณ์ต่าง ๆ ของกองทัพ เคยดำรงตำแหน่งประธานคณะกรรมาธิการป้องกันและปราบปรามการทุจริตประพฤติมิชอบ (ป.ป.ช.) สภาผู้แทนราษฎร ในช่วงปี พ.ศ. 2544-2548 มีผลงานสำคัญคือการสอบสวนการทุจริต "ค่าโง่ทางด่วน 6,200 ล้านบาท" ซึ่งถูกนำไปใช้ในการต่อสู้คดีในชั้นศาลและประสบชัยชนะ ทำให้คนไทยไม่ต้องจ่ายค่าโง่พร้อมดอกเบี้ยนับหมื่นล้านบาท

ในการเลือกตั้งในปี พ.ศ. 2548 นายพีระพันธุ์ซึ่งได้รับมอบหมายให้เป็นผู้อำนวยการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร กรุงเทพมหานครได้ย้ายไปลงสมัครในระบบบัญชีรายชื่อ โดยพรรคส่ง พันเอกเฟื่องวิชชุ์ อนิรุทธเทวา ลงสมัคร ส.ส.เขต แทน แต่ พ.อ.เฟื่องวิชชุ์ ไม่ได้รับการเลือกตั้ง

ในการเลือกตั้งในปลายปี พ.ศ. 2550 นายพีระพันธุ์ได้ลงรับสมัครในเขต 3 กรุงเทพมหานคร ซึ่งประกอบด้วย เขตห้วยขวาง เขตดินแดง และเขตพญาไท คู่กับ นายธนา ชีรวินิจ และ ดร.สรรเสริญ สมะลาภา สามารถนำทีมชนะการเลือกตั้งทั้ง 3 คน โดยนายพีระพันธุ์ ได้รับคะแนนเสียงเป็นอันดับ 1 ของเขต

ภายหลังการเลือกตั้ง 23 ธันวาคม พ.ศ. 2550 พรรคประชาธิปัตย์ที่เป็นฝ่ายค้านพรรคเดียวได้ประกาศจัดตั้งรัฐบาลเงา หรือ ครม.เงา ขึ้น ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2551 นายพีระพันธุ์ สาลีรัฐวิภาค ที่เป็น อดีตผู้พิพากษาและข้าราชการตุลาการ ได้รับเลือกจากที่ประชุมพรรค ให้ทำหน้าที่ รัฐมนตรีว่าการกระทรวงยุติธรรมเงา[2]

นายพีระพันธุ์ยังทำหน้าที่เป็นรองประธานคณะกรรมาธิการการทหาร สภาผู้แทนราษฎร ประธานคณะอนุกรรมาธิการป้องกันและปราบปรามเว็บไซต์หมิ่นพระบรมเดชานุภาพ และประธานคณะอนุกรรมาธิการพิจารณานโยบาย งบประมาณ และประสิทธิภาพกองทัพ รองประธานคณะกรรมาธิการพิจารณางบประมาณรายจ่ายประจำปี พ.ศ. 2552 และกรรมาธิการในคณะกรรมาธิการวิสามัญอื่นๆ อีกหลายคณะ

วันที่ 20 ธันวาคม พ.ศ. 2551 ได้รับการโปรดเกล้าฯ ให้ดำรงตำแหน่งรัฐมนตรีว่าการกระทรวงยุติธรรม ในรัฐบาลที่มีนายอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ เป็นนายกรัฐมนตรี [3] ต่อมาในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554 ได้ลงสมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ[4] และได้รับเลือกตั้งเป็น ส.ส.อีกสมัย

ในการเลือกตั้งวันที่ 24 มีนาคม 2562 ได้รับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ ลำดับที่ 16 ในนามพรรคประชาธิปัตย์[5]

ในวันจันทร์ที่ 9 ธันวาคม พ.ศ. 2562 นายพีรพันธุ์ได้ยื่นหนังสือลาออกจากการเป็นสมาชิก พรรคประชาธิปัตย์ โดยให้มีผลทันทีในวันเดียวกัน ทำให้ต้องพ้นจากการเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรส่งผลให้นางสาว พิมพ์รพี พันธุ์วิชาติกุล บัญชีรายชื่อลำดับที่ 24 ซึ่งเป็นบุตรสาวคนโตของนาย พิเชษฐ พันธุ์วิชาติกุล ได้ขยับขึ้นมาทำหน้าที่แทน [6]

วันที่ 17 ธันวาคม 2562 คณะรัฐมนตรีมีมติเห็นชอบตามที่สำนักเลขาธิการนายกรัฐมนตรีเสนอแต่งตั้ง นายพีระพันธุ์ ให้ดำรงตำแหน่งข้าราชการการเมือง ตำแหน่งที่ปรึกษานายกรัฐมนตรี ทั้งนี้ ตั้งแต่วันที่ 17 ธันวาคม 2562 เป็นต้นไป[7] และได้ประกาศลง ราชกิจจานุเบกษา เมื่อวันที่ 31 มกราคม พ.ศ. 2563

พ.ศ. 2563 วันที่ 25 พฤษภาคม คณะกรรมการบริษัท การบินไทย จำกัด (มหาชน) ได้มีการประชุมครั้งพิเศษ 10-1/2563 ซึ่งในการประชุมดังกล่าว คณะกรรมการบริษัทฯ ได้มีมติแต่งตั้งให้นายพีระพันธุ์ ดำรงตำแหน่งกรรมการบริษัทฯ[8]