นายอนุสรณ์ วงศ์วรรณ เป็นอดีตสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดลำพูน 4 สมัย เคยดำรงตำแหน่งรัฐมนตรี 4 กระทรวง ได้แก่ รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงอุตสาหกรรม รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงมหาดไทย (รัฐบาลนายบรรหาร ศิลปอาชา) รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงแรงงานและสวัสดิการสังคม (รัฐบาล นายชวน หลีกภัย) รัฐมนตรีว่าการกระทรวงวัฒนธรรม (รัฐบาลนายสมัคร สุนทรเวช) และรัฐมนตรีว่าการกระทรวงการพัฒนาสังคมและความมั่นคงของมนุษย์ (รัฐบาลนายสมัคร สุนทรเวช)

ในปี พ.ศ. 2551 นายอนุสรณ์ วงศ์วรรณ ถูกตัดสิทธิ์ทางการเมืองเป็นเวลา 5 ปี เนื่องจากเป็นกรรมการบริหารพรรคพลังประชาชน[3]

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2557 เขาได้สมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคเพื่อไทย ลำดับที่ 27[4]