นายมนตรี ปาน้อยนนท์ เริ่มเข้าสู่งานการเมืองโดยการเป็นสมาชิกสภาจังหวัด (ส.จ.) และเป็นรองประธานสภาจังหวัดประจวบคีรีขันธ์ ต่อมาได้รับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สมัยแรกในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2544 สังกัดพรรคประชาธิปัตย์ และได้รับเลือกตั้งเรื่อยมา ในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2548 การเลือกตั้ง พ.ศ. 2550 และการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554

ในปี พ.ศ. 2554 นายมนตรี ได้รับแต่งตั้งเป็นประธานกรรมาธิการพลังงาน สภาผู้แทนราษฎร ชุดที่ 24

ในปี พ.ศ. 2561 นายมนตรี ได้รับการเลือกตั้งเป็นคณะกรรมการบริหารพรรคประชาธิปัตย์ ในตำแหน่งรองเลขาธิการพรรค ซึ่งมีนายอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ เป็นหัวหน้าพรรคและนายจุติ ไกรฤกษ์ เป็นเลขาธิการพรรค

ในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2562 นายมนตรีได้รับการเลือกตั้งเข้ามาเป็นสมัยที่ 5 สังกัดพรรคประชาธิปัตย์

นายมนตรี เป็นนักการเมืองคนใกล้ชิดกับนายเฉลิมชัย ศรีอ่อน มีบทบาทหลังการเลือกตั้งปี 2562 ในการร่วมหารือกับพรรคภูมิใจไทยในการจัดตั้งรัฐบาล[3][4]