สุณีย์ เหลืองวิจิตร เคยทำงานเป็นคณะทำงานของพรรคไทยรักไทย และเป็นกรรมการและผู้ช่วยเลขานุการคณะกรรมการประสานงานสภาผู้แทนราษฎร ต่อมาได้รับแต่งตั้งเป็นข้าราชการการเมือง ในตำแหน่ง ประจำสำนักเลขาธิการนายกรัฐมนตรี

สุณีย์ เหลืองวิจิตร ได้รับเลือกเป็นเลขาธิการพรรคเพื่อไทย ในปี พ.ศ. 2551 จนถึงปี พ.ศ. 2553 และได้รับแต่งตั้งเป็นเลขานุการรัฐมนตรีว่าการกระทรวงคมนาคม (สันติ พร้อมพัฒน์) ในปี พ.ศ. 2551[2]จากนั้นได้รับเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร ในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554 สังกัดพรรคเพื่อไทย

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2557 เธอได้สมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคเพื่อไทย ลำดับที่ 73[3]

เธอขึ้นเวทีของแนวร่วมประชาธิปไตยต่อต้านเผด็จการแห่งชาติ เมื่อวันที่ 29 เมษายน พ.ศ. 2557 ที่จังหวัดพิจิตร

ในปี พ.ศ. 2561 เธอได้รับแต่งตั้งเป็นรองหัวหน้าพรรคไทยรักษาชาติ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2562 คือ การยื่นพระนามทูลกระหม่อมหญิงอุบลรัตนฯ มหิดล เป็นผู้ที่จะเสนอเป็นนายกรัฐมนตรีในนามของพรรคฯ[4][5] ต่อมาในวันพฤหัสบดีที่ 7 มีนาคม พ.ศ. 2562 ตุลาการศาลรัฐธรรมนูญมีมติเป็นเอกฉันท์ให้ยุบพรรคไทยรักษาชาติพร้อมตัดสิทธิ์กรรมการบริหารพรรคห้ามลงสมัครรับเลือกตั้ง จดทะเบียนจัดตั้งพรรคใหม่ หรือเป็นกรรมการบริหารพรรคการเมืองเป็นเวลา 10 ปี [6]