เปรมศักดิ์ เพียยุระ เริ่มงานการเมืองโดยเป็น ส.ส.ขอนแก่น ในสังกัดพรรคความหวังใหม่ ดำรงตำแหน่งที่ปรึกษารัฐมนตรีว่าการกระทรวงมหาดไทย และกระทรวงแรงงานและสวัสดิการสังคม (พลเอกชวลิต ยงใจยุทธ) เมื่อพรรคความใหม่ควบรวมกับพรรคไทยรักไทย นายแพทย์เปรมศักดิ์ได้ย้ายมาสังกัดพรรคไทยรักไทย โดยเป็น ส.ส.บัญชีรายชื่อ[ต้องการอ้างอิง]

การอุปสมบทในระหว่างการเลือกตั้ง พ.ศ. 2549

เมื่อวันที่ 11 มีนาคม พ.ศ. 2549 นายแพทย์เปรมศักดิ์ได้ยื่นใบลาออกจากสมาชิกพรรคพรรคไทยรักไทยอย่างกะทันหัน และเข้าพิธีอุปสมบทที่วัดพิกุลทอง จากนั้นได้เดินทางไปจำวัดที่วัดสวนแก้ว จังหวัดนนทบุรี ซึ่งมีพระพยอม กัลยาโณ เป็นเจ้าอาวาส[ต้องการอ้างอิง]

การลาออกของนายแพทย์เปรมศักดิ์ ส่งผลให้พรรคไทยรักไทยมี ส.ส.บัญชีรายชื่อ เหลือเพียง 99 คน เมื่อรวมกับ ส.ส.ระบบเขตอีก 400 คน เป็น 499 คน ไม่ครบตามที่ระบุไว้ในมาตรา 98 ของรัฐธรรมนูญแห่งราชอาณาจักรไทย พุทธศักราช 2540 และมีคำวิพากษ์วิจารณ์ว่า เมื่อจำนวน ส.ส.ไม่ครบที่จะเป็นองค์ประกอบของสภาผู้แทนราษฎร ก็ไม่สามารถประกอบรัฐพิธีเปิดสมัยประชุมสภาผู้แทนราษฎร [1] และไม่สามารถประชุมสภาผู้แทนราษฎรเพื่อคัดเลือกประธานสภาผู้แทนราษฎรและนายกรัฐมนตรีได้[ต้องการอ้างอิง]

การเมืองหลังรัฐประหาร

เมื่อวันที่ 12 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2551 นายแพทย์เปรมศักดิ์ เพียยุระ ได้รับการแต่งตั้งให้ดำรงตำแหน่งที่ปรึกษารัฐมนตรีว่าการกระทรวงเกษตรและสหกรณ์ (สมศักดิ์ ปริศนานันทกุล) โดยมอบหมายให้ดำเนินการแก้ไขปัญหาของเกษตรกรและผู้ยากจนทั่วประเทศ รวมทั้งให้คำปรึกษาเพื่อเสนอแนะรัฐมนตรีโดยตรง[ต้องการอ้างอิง]

ต่อมานายแพทย์เปรมศักดิ์ เพียยุระ เข้าร่วมงานกับพรรคภูมิใจไทย[2]ภายหลังรัฐประหารในประเทศไทย พ.ศ. 2557

จากนั้นในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2561 ได้ย้ายมาร่วมงานกับพรรคพลังประชารัฐ[ต้องการอ้างอิง] แต่ในเวลาต่อมาย้ายมาสังกัดพรรคพลังท้องถิ่นไท[3] เขาลงสมัครรับเลือกตั้งในพื้นที่จังหวัดขอนแก่นในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2562 สังกัดพรรคพลังท้องถิ่นไทย แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง[4]