Tom kemudian terlibat dalam politik. Dia menjadi penulis pidato Joko Widodo (Jokowi) saat menjabat sebagai Gubernur DKI Jakarta hingga menjadi Presiden di masa jabatan pertama.
Lalu diangkat menjadi Menteri Perdagangan periode 2015-2016. Tom Lembang setelah itu dipercayakan oleh Jokowi untuk bergabung dalam kabinet dengan menjabat sebagai Kepala Badan Koordinasi Penanaman Modal (BKPM) pada periode 2016-2019, yang sekarang telah berganti nama menjadi Kementerian Investasi.
Tom pernah menjabat di Dewan Penasihat Internasional Institut Kajian Strategis Internasional (IISS) di London. Selain itu sebagai Dewan Penasihat Internasional Plastic Omnium, sebuah perusahaan komponen otomotif di Perancis.
Pada 2021, Tom Lembong diangkat menjadi Ketua Dewan PT Jaya Ancol. Lalu mendirikan Consilience Policy Institute yang resmi beroperasi di Singapura.
