คุณหญิง ดร.สุดารัตน์ เกยุราพันธุ์ เข้าสู่แวดวงการเมืองครั้งแรกในการเลือกตั้งเมื่อวันที่ 22 มีนาคม พ.ศ. 2535 ได้เป็น ส.ส. ในเขตกรุงเทพมหานคร ในเขต 12 (มีนบุรี, บางเขน, หนองจอก, ดอนเมือง ยกเว้นแขวงทุ่งสองห้อง) ของพรรคพลังธรรม แต่หลังจากเหตุการณ์พฤษภาทมิฬที่ พล.ต. จำลอง ศรีเมือง ได้วางมือทางการเมืองแล้ว พรรคพลังธรรมก็ได้ผลัดเปลี่ยนหัวหน้าพรรคหลายคน มาจนถึง ทักษิณ ชินวัตร เป็นหัวหน้าพรรค คุณหญิงสุดารัตน์ก็ได้สนิทสนมกับ ทักษิณ ชินวัตร พร้อมกับสมาชิกพรรคอีกหลายคนซึ่งส่วนใหญ่เป็น ส.ส. ในกรุงเทพมหานคร ในการเลือกตั้งปี พ.ศ. 2539 พรรคพลังธรรมมี ส.ส. เหลือเพียงคนเดียว คือ คุณหญิงสุดารัตน์นี่เอง และในปี พ.ศ. 2541 เมื่อ ทักษิณ ชินวัตร ได้ออกมาก่อตั้งพรรคไทยรักไทย คุณหญิงสุดารัตน์ก็เป็นหนึ่งใน 23 บุคคลที่ร่วมก่อตั้งพรรคด้วย และก็ได้ร่วมงานกับทางพรรคมาจนบัดนั้น

ในปี พ.ศ. 2543 คุณหญิงสุดารัตน์ได้ลงรับสมัครเลือกตั้งผู้ว่าราชการกรุงเทพมหานครในนามของพรรค ได้เบอร์ 5 โดยคู่แข่งขันสำคัญ คือ สมัคร สุนทรเวช ผลการเลือกตั้งปรากฏว่าสมัครชนะด้วยคะแนนที่ท่วมท้น หลังจากนั้นในการเลือกตั้งทั่วไปเมื่อปี พ.ศ. 2544 คุณหญิงสุดารัตน์ได้ย้ายไปลงในระบบบัญชีรายชื่ออันดับต้น ๆ ของพรรค รวมทั้งการเลือกตั้งในปี พ.ศ. 2548 ในปี พ.ศ. 2548 ได้รับพระมหากรุณาธิคุณ โปรดเกล้าฯ พระราชทานเครื่องราชอิสริยาภรณ์จุลจอมเกล้า ทำให้สามารถใช้คำนำหน้านามว่า "คุณหญิง" โดยบทบาทในพรรคของคุณหญิงสุดารัตน์เป็นที่รับรู้กันว่า มีอิทธิพลสูง มีสมาชิกในสังกัดอยู่ในความดูแลหลายคน ซึ่งเป็น ส.ส. ในพื้นที่กรุงเทพมหานครทั้งหมด โดยมีฉายาที่เรียกตามชื่อเล่นที่ชื่อ "หน่อย" ว่า "เจ๊หน่อย"

ต่อมาในปี พ.ศ. 2550 ได้ถูกตัดสิทธิทางการเมืองเป็นเวลา 5 ปี เนื่องจากเป็นกรรมการบริหารพรรคไทยรักไทยซึ่งถูกยุบในคดียุบพรรคการเมือง พ.ศ. 2549[3]

ในเหตุการณ์การชุมนุมของแนวร่วมประชาธิปไตยต่อต้านเผด็จการแห่งชาติ พ.ศ. 2553 จรัล ดิษฐาอภิชัยได้กล่าวยอมรับว่ามีการให้เงินสนับสนุนจากคุณหญิงสุดารัตน์ ซึ่งขณะนั้น คุณหญิงสุดารัตน์ ถูกศูนย์อำนวยการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉิน ห้ามทำธุรกรรมทางการเงินและต่อมา คุณหญิงสุดารัตน์ ได้ออกมาขู่ฟ้องร้องอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ และพลเอก อนุพงษ์ เผ่าจินดา[4]มติคณะอนุกรรมการไต่สวนกรณีชี้มูลความผิดโครงการจัดทำระบบคอมพิวเตอร์เพื่อการบริหารข้อมูลข่าวสารด้านการเงิน การคลัง และข้อมูลโรงพยาบาลปลัดกระทรวงสาธารณสุข พ.ศ. 2547 ของคณะกรรมการป้องกันและปราบปรามการทุจริตแห่งชาติได้ชี้มูลว่า คุณหญิงสุดารัตน์ มีความผิดในโครงการดังกล่าว[5]

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2562 เธอลงสมัครรับเลือกตั้งแบบบัญชีรายชื่อ และเป็นผู้ได้รับเสนอชื่อให้ดำรงตำแหน่งนายกรัฐมนตรีจากพรรคเพื่อไทย แต่ไม่ได้รับเลือกตั้งเนื่องจากสูตรคำนวณตามรัฐธรรมนูญแห่งราชอาณาจักรไทย พุทธศักราช 2560