อนุตตมา อมรวิวัฒน์ เริ่มทำงานภายหลังจากสำเร็จการศึกษา เป็นข้าราชการประจำกรมส่งเสริมการส่งออก กระทรวงพาณิชย์ ในตำแหน่ง นักวิชาการพาณิชย์ ระดับ 6 จากนั้นจึงเปลี่ยนแปลงสายงานมาเป็นอาจารย์คณะพาณิชยศาสตร์และการบัญชี มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์[2] กระทั่งได้ลาออกจากงานอาจารย์ เพื่อลงสมัคร ส.ส. ในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554 สังกัดพรรคเพื่อไทย ในเขต 7 กทม. แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง ต่อมาได้รับแต่งตั้งเป็นรองโฆษกประจำสำนักนายกรัฐมนตรี ในรัฐบาลของนางสาวยิ่งลักษณ์ ชินวัตร[3] และต่อมาได้ย้ายไปเป็นเลขานุการรัฐมนตรีว่าการกระทรวงการพัฒนาสังคมและความมั่นคงของมนุษย์ [4] ได้รับมอบหมายให้ดูแลเกี่ยวกับงานด้านสังคม โดยเฉพาะ นโยบายสตรี เด็ก เยาวชน ผู้สูงอายุ และผู้ด้อยโอกาส หลังจากนั้นก็ได้รับการแต่งตั้งให้เป็นที่ปรึกษารัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงการคลัง นอกจากนั้น ยังได้รับแต่งตั้งจากพรรคเพื่อไทย ให้ไปดำรงตำแหน่ง รองโฆษกพรรคเพื่อไทย เมื่อวันที่ 19 มีนาคม พ.ศ. 2556 และได้รับเลือกจากที่ประชุมพรรค ให้รับตำแหน่ง รองเลขาธิการพรรคเพื่อไทย

สำหรับงานด้านสภาผู้แทนราษฎร เคยดำรงตำแหน่ง ที่ปรึกษาคณะกรรมการวิสามัญ การแก้ไขรัษฎากร สภาผู้แทนราษฎร และเคยดำรงตำแหน่ง ที่ปรึกษาประจำกรรมาธิการต่างประเทศ สภาผู้แทนราษฎร