สิทธิชัย กิตติธเนศวร ลงสมัครรับเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดนครนายกครั้งแรก ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2539 สังกัดพรรคชาติไทย และได้รับเลือกตั้งเป็น ส.ส.สมัยแรก ต่อมาในปี 2544 ได้รับเลือกตั้งเป็น ส.ส.สมัยที่ 2 พร้อมกับน้องชาย คือ วุฒิชัย กิตติธเนศวร ในนามพรรคชาติไทยเช่นเดิม

ต่อมาในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2548 เขาและน้อยชายจึงย้ายมาสังกัดพรรคไทยรักไทย และลงสมัครรับเลือกตั้งอีกครั้ง ได้รับเลือกตั้งเป็น ส.ส.อีกสมัย กระทั่งในปี 2550 เขาถูกเพิกถอนสิทธิทางการเมืองเป็นเวลา 5 ปี ตามคำวินิจฉัยในคดียุบพรรคการเมือง เมื่อวันที่ 30 พฤษภาคม พ.ศ. 2550 ของคณะตุลาการรัฐธรรมนูญ หรือถูกเรียกในกลุ่มว่า "สมาชิกบ้านเลขที่ 111"

สิทธิชัย กลับเข้าสู่การเมืองอีกครั้งโดยเข้ารับตำแหน่งเป็นผู้ช่วยรัฐมนตรีประจำกระทรวงมหาดไทย ในรัฐบาลนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร ต่อมาลงสมัครรับเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรแบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคเพื่อไทย โดยหลีกทางให้น้องชายลงสมัคร ส.ส.แบบเขตเลือกตั้งซึ่งจังหวัดนครนายกเหลือเพียงเขตเดียว[1] ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2562[3] แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง เนื่องจากพรรคเพื่อไทยมีจำนวน ส.ส.พึงมีน้อยกว่าจำนวน ส.ส.ในสภาผู้แทนราษฎร ต่อมาในปี พ.ศ. 2563 เขาจึงลงสมัครรับเลือกตั้งนายกองค์การบริหารส่วนจังหวัดนครนายกในการเลือกตั้งนายกองค์การบริหารส่วนจังหวัดในประเทศไทย พ.ศ. 2563[1] แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง[4]