การทำรัฐประหารของคณะ รสช. ในปี พ.ศ. 2534 เป็นจุดพลิกผันให้นายอลงกรณ์ตัดสินใจลงเล่นการเมือง โดยลงสมัครรับเลือกตั้งเป็นผู้แทนราษฎรครั้งแรกแต่สอบตกได้คะแนน 4 หมื่นคะแนน

ในการลงสมัคร ส.ส. ครั้งที่ 2 นายอลงกรณ์ประสบความสำเร็จได้เป็น ส.ส.สมัยแรก ด้วยคะแนนเสียงกว่า 74,000 คะแนนในการเลือกตั้ง ปี พ.ศ. 2535/2 และได้รับเลือกตั้งอีกครั้งปี พ.ศ. 2538 ด้วยคะแนนกว่า 1 แสนคะแนนเป็นที่หนึ่งของจังหวัดเพชรบุรี

ต่อมาในการเลือกตั้ง ปี พ.ศ. 2539 นายอลงกรณ์สอบตกอีกครั้งแบบไม่คาดฝันแม้จะได้คะแนนกว่า 9 หมื่นคะแนน และในระหว่างนั้นนายชวน หลีกภัย ได้ให้นายอลงกรณ์ ดำรงตำแหน่ง เลขานุการผู้นำฝ่ายค้านในสภาผู้แทนราษฎร และเลขานุการนายกรัฐมนตรี

นายอลงกรณ์ เป็นนักการเมืองที่มีฐานเสียงในจังหวัดเพชรบุรี โดยมีพี่น้องทำงานการเมืองท้องถิ่นในพื้นที่จังหวัดเพชรบุรี คือ นายอติพล พลบุตร (พี่ชาย) เคยดำรงตำแหน่งรองนายกเทศมนตรีเมืองเพชรบุรี และ นายอิทธิพงษ์ พลบุตร (น้องชาย) อดีตสมาชิกองค์การบริหารส่วนจังหวัดเพชรบุรี นายอดุลย์ พลบุตร (พี่ชาย) เป็นนายอำเภออยู่ที่จังหวัดยโสธร

นายอลงกรณ์ พลบุตร ได้รับฉายาว่า "มิสเตอร์เอทานอล"[5][6] จากการเป็นผู้ผลักดันให้โครงการเอทานอลเกิดขึ้นในประเทศไทยโดยผ่านความเห็นชอบตามมติคณะรัฐมนตรี เมื่อวันที่ 19 กันยายน พ.ศ. 2543 และส่งเสริมเอทานอลอย่างต่อเนื่อง นอกจากนั้นอลงกรณ์ ยังเป็นผู้รับผิดชอบ โครงการยุทธศาสตร์ประเทศไทย (Thailand Strategy Project , TSP)[7] ของพรรคประชาธิปัตย์ ที่เป็นศูนย์กลางรวบรวมข้อมูลทางวิชาการใน 19 ยุทธศาสตร์หลัก เพื่อใช้เป็นฐานข้อมูลในการพัฒนานโยบายของพรรคประชาธิปัตย์ และจัดทำเป็นแผนยุทธศาสตร์ในการพัฒนาประเทศ รวมทั้งเพื่อแลกเปลี่ยนทรรศนะกับชุมชนวิชาการ และประชาชนที่สนใจทั่วไป ผ่านทางเว็บไซต์ www.thailandstrategy.com และเอกสารเผยแพร่ของโครงการ

ในรัฐบาล พ.ต.ท.ทักษิณ ชินวัตร นายอลงกรณ์มีบทบาทสำคัญในการตรวจสอบการทุจริตของรัฐบาลหลายอย่าง เช่น การตรวจสอบการทุจริตในโครงการเช่าซอฟต์แวร์ ของการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค (กฟภ.) หรือ การทุจริตในสนามบินหนองงูเห่า เป็นต้นจนได้รับการคัดเลือกจากสื่อมวลชนประจำรัฐสภาให้เป็น"ดาวเด่นแห่งปีของรัฐสภา ประจำปี 2546"พร้อมกับได้รับฉายา"มือปราบรัฐสภา" แต่นายอลงกรณ์ก็ต้องเผชิญกับการถูกฟ้องและถูกแจ้งจับกว่า 20 คดีข้อหาหมิ่นประมาทจากคดีที่เขาเข้าไปตรวจสอบการทุจริตและโดนฟ้องทางแพ่งเกือบหมื่นล้านบาท

นายอลงกรณ์ พลบุตร ได้รับตำแหน่งรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงพาณิชย์ ในรัฐบาลนายอภิสิทธ์ เวชชาชีวะ[8] ต่อมาในการเลือกตั้ง พ.ศ. 2554 ได้ลงสมัครรับเลือกตั้ง ส.ส.ระบบบัญชีราชื่อ[9] และได้รับเลือกตั้งอีกสมัย