หลังจากเกษียณอายุราชการในปี พ.ศ. 2544 จากนั้นได้ผันตัวมาลงเล่นการเมือง จนได้เป็น ส.ส. ระบบปาร์ตี้ลิส ของพรรคไทยรักไทย อันดับที่ 17 และเคยเป็นรัฐมนตรีว่าการกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และออกจากตำแหน่งในปี พ.ศ. 2546จากนั้นได้รับตำแหน่งรัฐมนตรีว่าการกระทรวงกลาโหม ในปี พ.ศ. 2547 อยู่ระยะหนึ่งเป็นเวลาสั้น ๆ

ต่อมาในปี พ.ศ. 2550 พล.อ.เชษฐา มีข่าวว่าจะไปเป็นหัวหน้าพรรคการเมืองหลายพรรค เช่น พรรคประชาราช เป็นต้น แต่ท้ายที่สุดก็ได้รับการสนับสนุนให้เป็นหัวหน้าพรรครวมใจไทยชาติพัฒนา

จนกระทั่ง พ.ศ. 2552 นายยงยุทธ วิชัยดิษฐ หัวหน้าพรรคเพื่อไทย นางสาวสุณีย์ เหลืองวิจิตร เลขาธิการพรรคเพื่อไทย นายพร้อมพงศ์ นพฤทธิ์ โฆษกพรรคเพื่อไทย นายวิทยา บุรณศิริ สมาชิกสภาผู้แทนราษฎร (ส.ส.) อยุธยา พรรคเพื่อไทย และนายวิชาญ มีนชัยนันท์ ส.ส.กรุงเทพฯ พรรคเพื่อไทยเดินทางมาเข้าพบพลเอกเชษฐาที่บ้านพัก ย่านเมืองทองธานี เพื่อเชิญเข้ารับตำแหน่งประธานที่ปรึกษาพรรคเพื่อไทย ซึ่งพลเอกเชษฐาก็ได้ตอบตกลงที่จะรับตำแหน่งนี้