อุดมศักดิ์ ลงเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรครั้งแรกใน พ.ศ. 2512 สังกัดพรรคสหประชาไทย และได้รับเลือกต่อกันรวม 11 ครั้ง

อุดมศักดิ์ ได้รับแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีครั้งแรกในรัฐบาลพลเอกชาติชาย ชุณหะวัณ เป็นรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงเกษตรและสหกรณ์ (ครม.45, 46)[2][3] เป็นรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงอุตสาหกรรม ในรัฐบาลพลเอกสุจินดา คราประยูร[4] ต่อมาได้รับแต่งตั้งเป็นรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยีและสิ่งแวดล้อม ในรัฐบาลนายบรรหาร ศิลปอาชา และเป็นรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงเกษตรและสหกรณ์ ในรัฐบาลพลเอกชวลิต ยงใจยุทธ[5]

สมาชิกสภาผู้แทนราษฎร

อุดมศักดิ์ ทั่งทอง ได้รับการเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรทั้งหมด 11 สมัย คือ

1. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2512 จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สังกัดพรรคสหประชาไทย
2. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2518 จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สังกัดพรรคธรรมสังคม
3. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2519 จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สังกัดพรรคธรรมสังคม
4. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2522 จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สังกัดพรรคสยามประชาธิปไตย
5. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2526 จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สังกัดพรรคชาติไทย
6. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2529 จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สังกัดพรรคชาติไทย
7. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2531 จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สังกัดพรรคชาติไทย
8. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป มีนาคม พ.ศ. 2535 จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สังกัดพรรคชาติไทย
9. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป กันยายน พ.ศ. 2535 จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สังกัดพรรคชาติไทย
10. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2538 จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สังกัดพรรคชาติไทย
11. การเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2539 จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ สังกัดพรรคความหวังใหม่