เถลิง ได้รับแต่งตั้งเป็นสมาชิกสภานิติบัญญัติแห่งชาติ ในปี พ.ศ. 2515 ภายหลังการปฏิวัติตัวเองของ จอมพล ถนอม กิตติขจร เมื่อวันที่ 17 พฤศจิกายน พ.ศ. 2514 ต่อมาในปี พ.ศ. 2516 ได้รับแต่งตั้งเป็นสมาชิกสภานิติบัญญัติอีกครั้ง[6]

ในปี พ.ศ. 2517 เถลิงได้รับแต่งตั้งเป็นสมาชิกสภาร่างรัฐธรรมนูญ และเป็นรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงเกษตรและสหกรณ์ ในรัฐบาลของนายสัญญา ธรรมศักดิ์[7] จนถึงเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2518 หลังการเลือกตั้งทั่วไป และมีรัฐบาลใหม่เข้ามาทำหน้าที่แทน

เถลิง ได้รับแต่งตั้งเป็นสมาชิกสภานิติบัญญัติแห่งชาติอีกครั้ง ในปี พ.ศ. 2520 และเป็นสมาชิกวุฒิสภา ในปี พ.ศ. 2539[8]

นอกจากนั้น เถลิง ยังเคยได้รับการแต่งตั้งเป็นที่ปรึกษารองนายกรัฐมนตรี ที่ปรึกษารัฐมนตรีว่าการกระทรวงเกษตรและสหกรณ์ เป็นผู้ทรงคุณวุฒิในคณะกรรมการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ ในปี พ.ศ. 2535[9] เป็นที่ปรึกษาผู้ทรงคุณวุฒิฝนหลวง ในปี พ.ศ. 2548[10]