ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง เริ่มเข้าสู่งานการเมือง โดยสมัครรับเลือกตั้งในปี พ.ศ. 2544 เขตเลือกตั้งที่ 3 จังหวัดเชียงใหม่ สังกัดพรรคความหวังใหม่ ตามบิดาและมารดา แต่ไม่ได้รับการเลือกตั้ง ได้เพียงอันดับที่ 3 ด้วยคะแนน 14,920 คะแนน แพ้ให้กับนายบุญทรง เตริยาภิรมย์ (พรรคไทยรักไทย) และนางบุศรา โพธิสุข (พรรคประชาธิปัตย์) [5] ต่อมาในปี พ.ศ. 2545 จึงได้ย้ายมาสังกัดพรรคไทยรักไทย พร้อมกับบิดา-มารดา แต่เมื่อปี พ.ศ. 2547 จึงได้แยกเส้นทางการเมืองกับบิดา-มารดา ไปสังกัดพรรคประชาธิปัตย์ ด้านนางกิ่งกาญจน์ (มารดา) ย้ายไปสังกัดพรรคเพื่อแผ่นดิน

ในการเลือกตั้งเมื่อปี พ.ศ. 2548 ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ได้ลงสมัคร ส.ส. ในสังกัดพรรคประชาธิปัตย์ ในพื้นที่อำเภอเมือง จังหวัดเชียงใหม่ โดยต้องพบกับคู่แข่งขันจากพรรคไทยรักไทยคือ ปกรณ์ บูรณุปกรณ์ แม้จะไม่ได้รับการเลือกตั้ง แต่หลังจากนั้น ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ได้ถูกแต่งตั้งให้เป็นรองโฆษกพรรคประชาธิปัตย์

การเลือกตั้งนายกเทศมนตรีเทศบาลนครเชียงใหม่

ในปี พ.ศ. 2550 ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ได้ลาออกจากพรรคประชาธิปัตย์ เพื่อลงสมัครรับเลือกตั้งนายกเทศมนตรีนครเชียงใหม่ ซึ่งก่อนการเลือกตั้ง ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ถูกคู่แข่งคือ นายบุญเลิศ บูรณุปกรณ์ ซึ่งเป็นอดีตนายกเทศมนตรี ร้องคัดค้านว่าขาดคุณสมบัติ

คณะกรรมการการเลือกตั้งจังหวัดเชียงใหม่ ซึ่งแต่งตั้งมาตั้งแต่คณะกรรมการการเลือกตั้ง (กกต.) ได้มีมติตัดสิทธิในการลงสมัครรับเลือกตั้งตามคำร้องคัดค้าน และคู่แข่งขันซึ่งยังมีอำนาจอยู่ในเทศบาลนครเชียงใหม่ถึงกับจะส่งเจ้าหน้าที่เทศกิจออกรื้อถอนป้ายรณรงค์หาเสียงของ ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ที่ติดตั้งอยู่ในเขตเทศบาลนครเชียงใหม่ทั้งหมด

ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ร้องคัดค้านความเห็นของ กกต. จังหวัดมายัง กกต. กลาง ที่กรุงเทพมหานคร จนก่อนวันเลือกตั้งเมื่อวันอาทิตย์ที่ 24 มิถุนายน พ.ศ. 2550 เพียงไม่กี่วัน กกต.เชื่อตามพยานหลักฐานและยืนตามความเห็นของคณะกรรมการการเลือกตั้งจังหวัดเชียงใหม่

ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ฟ้องคดีนี้ต่อศาลปกครองจังหวัดเชียงใหม่ พร้อมยื่นคำร้องขอให้ศาลปกครองไต่สวนคำร้องโดยเหตุฉุกเฉิน เพื่อคุ้มครองชั่วคราวให้คงชื่อและหมายเลขผู้สมัครของตัวเองเพื่อรับการเลือกตั้ง

ศาลปกครองจังหวัดเชียงใหม่มีคำสั่งให้ไต่สวนคำร้องฉุกเฉิน แล้วมีคำสั่งให้จัดการเลือกตั้งนายกเทศมนตรีเทศบาลนครเชียงใหม่ โดยคงสิทธิ ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง เป็นผู้สมัครรับเลือกตั้งเพื่อให้ชาวเทศบาลนครเชียงใหม่พิจารณาลงบัตรเลือกตั้ง ผลการนับคะแนน ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง สามารถชนะคู่แข่งขันสำคัญคือ อดีตนายกเทศมนตรีในตระกูลบูรณุปกรณ์ไปในที่สุดด้วยคะแนนที่ค่อนข้างทิ้งห่าง

การพ้นจากตำแหน่ง

เมื่อวันที่ 3 เมษายน พ.ศ. 2552 ศาลปกครองจังหวัดเชียงใหม่ ได้มีคำพิพากษายกคำฟ้องเรื่องขาดคุณสมบัติ ทำให้ ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ต้องพ้นจากตำแหน่งนายกเทศมนตรีนครเชียงใหม่ทันที[6][7] แต่ ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ได้ยื่นต่อศาลปกครองสูงสุด ให้วินิจฉัยขาดคุณสมบัติ โดยยังคงปฏิบัติหน้าที่ในตำแหน่งรักษาการ

ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ประกาศลาออกจากตำแหน่งเมื่อวันที่ 24 มิถุนายน 2552 หลังศาลปกครองสูงสุด ได้มีคำวินิจฉัยเรื่องการขาดคุณสมบัติ และคณะกรรมการกฤษฎีกาชี้ว่า พ้นจากตำแหน่งนับตั้งแต่วันที่ได้รับเลือกตั้ง แต่ให้มีผลตั้งแต่วันที่ 3 เมษายน 2552 [8]

การเลือกตั้งนายกเทศมนตรีเทศบาลนครเชียงใหม่ สมัยที่ 2

ในการเลือกตั้งนายกเทศมนตรีเทศบาลนครเชียงใหม่ วันที่ 4 ตุลาคม พ.ศ. 2552 ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง สมัครรับเลือกตั้งได้รับหมายเลข 1 และจัดทำเว็บไซต์ส่วนตัวเพื่อประชาสัมพันธ์ข่าวสารไว้ที่ www.drpang.org แต่ได้รับคะแนนเป็นลำดับที่ 3 [9] ต่อมาจึงเข้ารับตำแหน่งโฆษกและที่ปรึกษาของกรุงเทพมหานคร [10]

การเลือกตั้ง ส.ส. 2554

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2554 ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ลงสมัครรับเลือกตั้งในเขตเลือกตั้งที่ 7 จังหวัดเชียงใหม่ สังกัดพรรคประชาธิปัตย์ แข่งขันกับนายบุญทรง เตริยาภิรมย์ จากพรรคเพื่อไทย แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง

หลังจากนั้นเธอได้รับหน้าที่เป็นพิธีกรรายการโทรทัศน์ดาวเทียม ช่องบลูสกายแชนแนล

ที่ปรึกษาผู้ว่าราชการกรุงเทพมหานคร

ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง ได้รับแต่งตั้งเป็นคณะทำงานที่ปรึกษาผู้ว่าราชการกรุงเทพมหานคร (หม่อมราชวงศ์สุขุมพันธุ์ บริพัตร) เป็นวาระที่ 2 ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2556 [11] จนกระทั่งพ้นจากตำแหน่ง ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2559 จากนั้นเมื่อนางกิ่งกาญจน์ได้ย้ายมาสังกัดพรรคพลังประชารัฐ ร.อ.หญิง ดร.เดือนเต็มดวง จึงย้ายมาสังกัดพลังประชารัฐตามผู้เป็นมารดา

การเลือกตั้ง พ.ศ. 2562

เดือนเต็มดวง ณ เชียงใหม่ ลงสมัครรับเลือกตั้งในพื้นที่จังหวัดเชียงใหม่ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2562 สังกัดพรรคพลังประชารัฐ แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง[12]