2001年7月，调任日本大阪国税局总务课长

2002年7月，调任日本内阁府行政改革大臣秘书专门官（先后在石原伸晃、金子一义、村上诚一郎三位行政改革大臣手下工作）

2005年8月，调任日本财务省主计局主查

2005年9月，落选日本众议院议员（第44届众议院议员总选举）

2009年8月，首次当选日本众议院议员（第45届众议院议员总选举）

2012年12月，第2次当选日本众议院议员（第46届众议院议员总选举），历任民主党副干事长、政策调查会副会长

2014年12月，第3次当选日本众议院议员（第47届众议院议员总选举）

2016年9月，参加日本民进党代表选举，被任命为民进党代理干事长

2017年10月，第4次当选日本众议院议员（第48届众议院议员总选举）

2018年5月，参与组建日本国民民主党，出任共同代表

2018年9月，任日本国民民主党代表

2020年10月，通过分党成立新的日本国民民主党，就任代表

2020年12月，经过代表选举，再次就任日本国民民主党代表

2021年10月，第5次当选日本众议院议员（第49届众议院议员总选举）

2024年10月，第6次当选日本众议院议员（第50届众议院议员总选举）

2017年11月10日，在希望之党两院议员大会上，该党53名国会议员进行不记名投票，玉木雄一郎获得39票，力压另一名候选人大串博志，当选联合党首。由于该党另一党首、东京都知事小池百合子需要处理东京都事务，因此未来3年玉木将成为该党实际掌舵人。

从这次党首选举中可以看出，该党内部在修宪及与在野党合作问题上分歧比较大。玉木的政治主张与小池相近，对修宪持积极态度，并与立宪民主党、民进党等其他在野党划清界限；而大串博志则主张与立宪民主党和民进党结成统一会派，反对修改宪法第9条。

此前，小池因错误言论导致希望之党在2017年10月22日举行的众议院选举中落败，玉木今后将面临如何统一党内意见、提高凝聚力的挑战。希望之党党首玉木雄一郎与民进党党首大冢耕平当选为日本国民民主党联合党首。国民民主党公布的基本政策与安倍政权保持对立，其中包括要求政府撤销安保法违宪部分内容以及2030年实现零核能(反核运动)。此次合并是以民进党作为存续政党、希望之党以解散和被吸收的方式成立的，希望之党内不愿加入新党的成员将分离出去，继续沿用“希望之党”名称。

2020年9月，日本立宪民主党、国民民主党等在野党重组后形成日本最大在野党，新党沿用立宪民主党党名。而包括玉木雄一郎在内拒绝加入新党的10余名国会议员另立新的国民民主党。

2024年10月28日，日本国民民主党党首玉木雄一郎表示，不考虑加入自民党和公明党的执政联盟。在27日举行的日本第50届众议院选举中，日本自民党和公明党组成的执政联盟未能获得众议院过半数席位，执政联盟政权受到威胁。