วิชัย ล้ำสุทธิ เข้าสู่งานการเมืองโดยการลงสมัครรับเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดระยอง ครั้งแรกในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2550 สังกัดพรรคประชาธิปัตย์ เขตเลือกตั้งที่ 1 คู่กับ สาธิต ปิตุเตชะ และได้รับเลือกตั้งเป็น ส.ส.สมัยแรก

ต่อมาในปี 2554 ได้ลงสมัครรับเลือกตั้งอีกครั้ง ในเขตเลือกตั้งที่ 4 อำเภอเมืองระยอง (เฉพาะเทศบาลเมืองมาบตาพุด, เทศบาลตำบลทับมา, และเทศบาลตำบลเนินพระ) อำเภอนิคมพัฒนา (เฉพาะเทศบาลตำบลมาบข่าพัฒนา และเทศบาลตำบลมาบข่า) และอำเภอบ้านฉาง และได้รับแต่งตั้งเป็นประธานคณะกรรมาธิการการส่งเสริมราคาผลิตผลเกษตรกรรมในสภาผู้แทนราษฎรไทย ชุดที่ 24[1]

ก่อนการเลือกตั้งมีข่าวว่าเขาจะย้ายไปร่วมงานกับกลุ่มสามมิตร แต่เจ้าตัวปฏิเสธ [2] กระทั่งในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2562 เขาถูกจัดให้ลงสมัครรับเลือกตั้ง ส.ส.แบบบัญชีรายชื่อของพรรคประชาธิปัตย์ ลำดับที่ 57 ส่งผลให้เขาไม่พอใจเป็นอย่างมากและตัดสินใจยื่นหนังสือลาออกจากพรรคประชาธิปัตย์ โดยวิชัย เป็นสมาชิกในกลุ่มที่สนับสนุน วรงค์ เดชกิจวิกรม ในการเลือกหัวหน้าพรรคประชาธิปัตย์ที่มีขึ้นก่อนการเลือกตั้ง[3][4] ต่อมาเขาได้เข้าร่วมงานกับกลุ่มสามมิตร พรรคพลังประชารัฐ และเป็นที่ปรึกษารัฐมนตรีว่าการกระทรวงอุตสาหกรรม (สุริยะ จึงรุ่งเรืองกิจ)[5]

ในปี 2564 ร่วมกับ วรงค์ เดชกิจวิกรม ยื่นจดทะเบียนพรรคไทยภักดีประเทศไทย[6]