อุดมลักษณ์ เพ็งนรพัฒน์ ประกอบวิชาชีพพยาบาล และเปิดสถานพยาบาลคลินิกอุดมลักษณ์การพยาบาลและผดุงครรภ์[2] ต่อมาได้ลงสมัครรับเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร จังหวัดศรีสะเกษ (เขตอำเภอกันทรลักษ์) สังกัดพรรคมัชฌิมาธิปไตย ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2550 แทนสามีที่ถูกตัดสิทธิ์ทางการเมือง ต่อมาได้ย้ายมาสังกัดพรรคภูมิใจไทย ซึ่งนางอุดมลักษณ์ เป็นหนึ่งในผู้ถูกเสนอชื่อให้เข้ารับตำแหน่งรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงสาธารณสุขแทนนายมานิต นพอมรบดี[3] แต่ท้ายที่สุดตำแหน่งดังกล่าวตกเป็นของนางพรรณสิริ กุลนาถศิริ

อุดมลักษณ์ ได้รับเลือกตั้งเป็น ส.ส. อีกสมัย ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2554 สามารถเอาชนะนายแพทย์ภูมินทร์ ลีธีระประเสริฐ[4] อดีต ส.ส.หลายสมัย และนายณรงค์สิทธิ์ เครือรัตน์ อดีต ส.ว.ศรีสะเกษ จากพรรคเพื่อไทย โดยเป็น ส.ส.เพียงคนเดียวของจังหวัดศรีสะเกษที่ไม่ได้สังกัดพรรคเพื่อไทย