นายสุภรณ์ อัตถาวงศ์ เริ่มทำงานที่บริษัทเอกชนแห่งหนึ่งในกรุงเทพมหานคร เป็นเจ้าหน้าที่กองหนังสือเดินทาง กระทรวงการต่างประเทศ และใช้เวลาว่างในการเป็นผู้ช่วยผู้ดำเนินงานสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร (พล.อ.อ.สิทธิ เศวตศิลา) สมาชิกสภาผู้แทนราษฎร จังหวัดนครราชสีมา พรรคกิจสังคม เป็นผู้ช่วยทำงานให้เลขานุการรัฐมนตรีว่าการกระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม เลขานุการรัฐมนตรีว่าการกระทรวงเกษตรและสหกรณ์ รองเลขาธิการนายกรัฐมนตรีฝ่ายการเมือง ต่อมาจึงได้ย้ายติดตามนายมนตรี ด่านไพบูลย์ มาสังกัดพรรคความหวังใหม่ หลังจากนั้นได้รับการแต่งตั้งเป็นหัวหน้าอาสาสมัครรณรงค์เลือกตั้งของพรรคพลังธรรม ในปี พ.ศ. 2538 และลงสมัครรับเลือกตั้ง ส.ส. ครั้งแรกที่จังหวัดนครราชสีมา สังกัดพรรคประชาธิปัตย์ ในปี พ.ศ. 2539 แต่ไม่ได้รับการเลือกตั้ง

การเลือกตั้งในปี พ.ศ. 2544 นายสุภรณ์ ได้ลงสมัครรับเลือกตั้งอีกครั้งในสังกัดพรรคไทยรักไทย[2] และได้รับการเลือกตั้งเป็น ส.ส. ครั้งแรก ต่อมาในปี พ.ศ. 2550 ได้ถูกตัดสิทธิทางการเมืองเป็นเวลา 5 ปี เนื่องจากเป็นกรรมการบริหารพรรคไทยรักไทยซึ่งถูกยุบในคดียุบพรรคการเมือง พ.ศ. 2549[3] ต่อมาในปี พ.ศ. 2555 ได้สมัครเข้าเป็นสมาชิกพรรคเพื่อไทย[4]

ในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2557 เขาได้สมัครรับเลือกตั้งในระบบบัญชีรายชื่อ สังกัดพรรคเพื่อไทย ลำดับที่ 74[5]

ต่อมาใน พ.ศ. 2561 นายสุภรณ์ได้ย้ายเข้ามาร่วมงานกับพรรคพลังประชารัฐ เขาลงสมัครรับเลือกตั้งในพื้นที่จังหวัดนครราชสีมาในการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรไทยเป็นการทั่วไป พ.ศ. 2562 แต่ไม่ได้รับเลือกตั้ง[6]