ลีลาวดี วัชโรบล ได้เข้าสู่แวดวงการเมืองด้วยการที่ตัวเองและแม่มีความนับถือนายสมัคร สุนทรเวช อดีตนายกรัฐมนตรีและอดีตหัวหน้าพรรคประชากรไทย เคยมีตำแหน่งเป็นโฆษกและกรรมการบริหารพรรคประชากรไทย ในการเลือกตั้งเมื่อวันที่ 2 เมษายน พ.ศ. 2549 ได้ลงรับสมัครเลือกตั้งป็น ส.ส. กรุงเทพมหานคร เขต 12 ในสังกัดพรรคประชากรไทย แต่ไม่ได้รับการเลือกตั้ง ต่อมาในการเลือกตั้งเมื่อวันที่ 23 ธันวาคม พ.ศ. 2550 ได้ลงสมัครเลือกตั้งอีกครั้งในสังกัดพรรคพลังประชาชน เขต 1 กรุงเทพมหานคร แต่ก็ไม่ได้รับเลือกตั้งอีก[5] แต่ได้รับตำแหน่งเป็นเลขานุการรัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการ (สมชาย วงศ์สวัสดิ์) ในรัฐบาลของนายสมัคร สุนทรเวช[6] ซึ่งก่อนนั้นยังเคยเป็นโฆษกและอนุกรรมาธิการการศาสนา วุฒิสภา, รองโฆษกและผู้ช่วยเลขานุการ คณะอนุกรรมาธิการพิจารณาแก้ไขปัญหาความยากจนของประชาชนกรรมาธิการการปกครอง วุฒิสภา มาก่อน

ในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554 ได้ลงสมัครรับเลือกตั้ง ส.ส. ในพื้นที่กรุงเทพมหานคร[7] และได้รับเลือกตั้งในครั้งนี้ด้วย

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2562 เขาลงสมัครรับเลือกตั้งในสังกัดพรรคเพื่อไทย แต่ไม่ได้รับการเลือกตั้ง