นายวรวัจน์ เริ่มทำงานการเมืองในนาม "กลุ่มเมืองแพร่" ได้รับเลือกเป็นนายกเทศมนตรีเมืองแพร่ เมื่อปี พ.ศ. 2533 ดำรงตำแหน่ง 2 สมัย นายวรวัจน์ ลงสมัครรับเลือกตั้ง สมาชิกสภาผู้แทนราษฎร ครั้งแรกในปี พ.ศ. 2539 ในนามของพรรคชาติไทย และได้รับเลือก จนกระทั่งได้ย้ายไปอยู่ พรรคไทยรักไทย ในการเลือกตั้งเมื่อปี พ.ศ. 2544 และ พ.ศ. 2548 ซึ่งได้รับการเลือกตั้งเช่นกัน และพรรคไทยรักไทย ก็ได้ถูกตัดสินยุบพรรคใน พ.ศ. 2550 นายวรวัจน์จึงย้ายไปสังกัด พรรคพลังประชาชน ใน พ.ศ. 2550 นายวรวัจน์ลงสมัครรับเลือกตั้งที่ จังหวัดแพร่ ในนามพรรคพลังประชาชน และได้รับเลือก

เมื่อเกิดเหตุการณ์ความไม่สงบทางการเมืองในประเทศไทย เมษายน พ.ศ. 2552 และมีการสลายการชุมนุมในวันที่ 13 เมษายน นายวรวัจน์จึงแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับเรื่องดังกล่าวว่า เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้สร้างความขัดแย้งและส่งผลกระทบต่อประชาชนทั้งประเทศ ซึ่งก็ยังไม่มีใครยืนยันว่าข้อเท็จจริงเป็นอย่างไรว่าผู้ใดเป็นคนกระทำ ดังนั้น จึงต้องเปิดเผยข้อมูลให้ครบทุกด้าน โดยนายวรวัจน์ ยังเชิญชวนประชาชนว่าหากใครที่มีคลิปหรือได้ถ่ายภาพ ก็ให้ส่งมาให้ที่พรรคเพื่อไทย

ต่อมาวันที่ 23 เมษายน นายวรวัจน์ ลุกขึ้นอภิปรายและได้ขอใช้สิทธิตามรัฐธรรมนูญ ในการนำภาพผู้เสียชีวิต ภาพเหตุการณ์ และญาติผู้ชีวิต จากการสลายการชุมนุมมาชี้แจงในรัฐสภา โดยยืนยันและรับรองด้วยเกียรติของสมาชิกรัฐสภา และตำแหน่ง ส.ส.เพราะตนได้ไปพบด้วยตนเอง ทั้งนี้หากประธานไม่ให้พูดในรัฐสภาจะลงไปแถลงข้างล่าง แต่ปรากฏว่า นายประสพสุข บุญเดช ประธานวุฒิสภา ทำหน้าที่ประธานการประชุม ไม่อนุญาต โดยยืนยันว่า นายชัย ชิดชอบ ประธานสภาได้วินิจฉัยแล้ว จากนั้น นายวรวัจน์ ได้เปิดคลิปวิดีโอพร้อมภาพนิ่งประกอบ เป็นภาพชาย รปภ. 2 คนที่เสียชีวิตลอยน้ำมา ถูกมัดมือและปาก โดยชูภาพนิ่งประกอบว่าชายทั้งสองเป็นการ์ด นปช. ที่เคยไปยืนบนเวที นปช. ในวันที่ 22 มีนาคม ที่ผ่านมา พร้อมกับฉายคลิปวิดีโอทหารรุมทำร้ายผู้ชุมนุมรายหนึ่ง ระหว่างการเข้าสลายการชุมนุมที่สามเหลี่ยมดินแดง นายวรวัจน์ กล่าวว่า ตนขอให้ นายอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ นายกรัฐมนตรี ลาออก และเอาคนกลางมาสอบหาข้อเท็จจริง[2]

รัฐมนตรีว่าการกระทรวงวัฒนธรรม

ต่อมานายวรวัจน์ ได้รับแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีว่าการกระทรวงวัฒนธรรม ในรัฐบาลนายสมชาย วงศ์สวัสดิ์ ระหว่างดำรงตำแหน่งเคยมีแนวคิดที่จะนำความเชื่อ และพิธีกรรมทางไสยศาสตร์ เช่น พญานาค ควายธนู เสน่ห์ยาแฝด น้ำมนต์ ปลัดขิก มาทำเป็นสินค้าทางวัฒนธรรมเพื่อขายเป็นที่ระลึก จนได้รับเสียงฮือฮาจากประชาชนอย่างมาก ต่อมาพรรคถูกยุบ นายวรวัจน์จึงย้ายไปสังกัด พรรคเพื่อไทย

รัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการ

ในปี พ.ศ. 2554 ได้รับแต่งตั้งเป็น รัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการ ในรัฐบาลของนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร[3] โดยที่นายวรวัจน์ ได้มอบหมายภารกิจให้รัฐมนตรีช่วยว่าการ ให้กำกับดูแลการศึกษาเป็นรายภาค แทนการแบ่งงานในรูปแบบเดิมที่ใช้การแบ่งภารกิจตามหน่วยงาน โดยนายวรวัจน์ จะดูแลรับผิดชอบในพื้นที่ภาคเหนือ ภาคใต้ และกรุงเทพมหานคร[4] ซึ่งการบริหารงานของนายวรวัจน์ ได้ถูกสมาชิกในพรรคเดียวกัน วิพากษ์วิจารณ์ถึงแนวทางการบริหารงาน และการแต่งตั้งข้าราชการระดับสูง[5]นอกจากนี้ นายนายวรวัจน์ ยังนำแนวคิดนอกกรอบเพื่อที่จะหารายได้เข้าโรงเรียนดัง โดยการนำระบบแป๊ะเจี๊ยะเข้ามาในระบบการคัดเลือกนักเรียน[6] รวมทั้งยังได้กำหนดนโยบายพิจารณาเงินงบประมาณพิเศษ ให้กับมหาวิทยาลัยที่ดำเนินการตามแนวทางของรัฐบาล [7]

รัฐมนตรีประจำสำนักนายกรัฐมนตรี

ต่อมาในเดือนมกราคม พ.ศ. 2555 ได้รับแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีประจำสำนักนายกรัฐมนตรี[8]

รัฐมนตรีว่าการกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

ต่อมาได้รับแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีว่าการกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ในรัฐบาลนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร[9] (ครม.ยิ่งลักษณ์ 3) ซึ่งต่อมากลุ่มพนักงาน สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ได้จัดทำใบปลิว "ความไร้ธรรมาภิบาลของ รมว.วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี" เผยแพร่กล่าวถึงพฤติกรรมที่ไม่ชอบมาพากลของนายวรวัจน์ พร้อมกับนัดแต่งชุดดำประท้วง ในวันที่ 20 พฤษภาคม พ.ศ. 2556 เป็นต้นไป รวมทั้งมีการเขียนจดหมายปิดผนึก และจดหมายเปิดผนึก "ไว้ทุกข์ให้กับความถดถอยของการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในประเทศไทย" เผยแพร่ต่อสาธารณะ อีกทั้งยังมีการพูดถึงการบริหารจัดการที่ไม่เป็นธรรม การใช้อำนาจให้พวกพ้อง ญาติสนิทได้ผลประโยชน์ในกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี การตัดงบ และความตั้งใจที่จะทำลายสวทช[10] กระทั่งได้รับโปรดเกล้าฯ ให้พ้นจากความเป็นรัฐมนตรีในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2556[11]