นายวิเชษฐ์ เกษมทองศรี เป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดราชบุรี เคยดำรงตำแหน่งผู้ช่วยเลขานุการรัฐมนตรีว่าการกระทรวงการต่างประเทศ ในระหว่างปี พ.ศ. 2539 - พ.ศ. 2540 เป็นผู้ช่วยเลขานุการรัฐมนตรีว่าการกระทรวงพาณิชย์ ในปี พ.ศ. 2541[2] ต่อมาในปี พ.ศ. 2542 เป็นเลขานุการคณะกรรมาธิการการต่างประเทศ และเป็นรองเลขาธิการนายกรัฐมนตรีฝ่ายการเมือง ในปี พ.ศ. 2544[3] ต่อมาในปี พ.ศ. 2546 จึงได้รับการแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงคมนาคม ในรัฐบาลของพันตำรวจโททักษิณ ชินวัตร

ในปี พ.ศ. 2550 ได้ถูกตัดสิทธิทางการเมืองเป็นเวลา 5 ปี เนื่องจากเป็นกรรมการบริหารพรรคไทยรักไทยซึ่งถูกยุบในคดียุบพรรคการเมือง พ.ศ. 2549[4] ต่อมาในปี พ.ศ. 2555 ได้สมัครเข้าเป็นสมาชิกพรรคเพื่อไทย[5] และได้รับแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีว่าการกระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม ในรัฐบาลนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร[6]