בתקופת לימודיו באוניברסיטה העברית היה מראשי תנועת השמאל היהודית ערבית "קמפוס". היה פעיל בתנועת השלום ולמען שותפות פוליטית יהודית-ערבית. היה פעיל בתחומים של זכויות אדם וזכויות עובדים.
במשך שנים היה פעיל בארגונים סביבתיים רבים. ריכז את צוות המחקר הישראלי שעבד בתיאום עם Worldwatch העולמי.
בשנת 2002 נבחר לתפקיד יושב-ראש ארגון הגג של הארגונים הסביבתיים, חיים וסביבה המרכז את פעילותם של למעלה מ-100 ארגונים סביבתיים, והיה פעיל במאבקים סביבתיים רבים, כגון המאבק למען פארק אריאל שרון, נגד תוכנית ספדיה, נגד מיזמי בנייה בתמנע ובחוף פלמחים.
פרש מתפקידו כיו"ר כאשר הציג מועמדותו לכנסת ברשימת חד"ש.
פרסם מאמרים רבים בנושא סביבה וחברה ואף ערך את סדרת הספרים "סימני חיים" העוסקת בנושאים אלו. בסוף שנת 2005 הגיש סדרת הרצאות בנושא "משבר הגלובליזציה" במסגרת "אוניברסיטה משודרת" של גלי צה"ל. בשנים 2004–2006 היה המנהל האקדמי של התכנית לצדק סביבתי שהיא חלק מהתוכניות הקליניות בפקולטה למשפטים באוניברסיטת תל אביב.
מאז 1990 חנין הוא חבר הנהגת המפלגה הקומוניסטית הישראלית. בבחירות לכנסת השש עשרה היה מועמד במקום הרביעי ברשימת חד"ש-תע"ל. למפלגה חסרו כ-500 קולות כדי שתיכנס לכנסת. כיוון שזו הייתה מערכת הבחירות הראשונה שבה לא נכנס לכנסת נציג יהודי מטעם חד"ש, על מוחמד ברכה הופעל לחץ לוותר על מקומו לחנין, אך הוא סירב. ב-14 בינואר 2006 נבחר למקום השלישי ברשימת חד"ש בבחירות לכנסת השבע עשרה ובעקבות כך נבחר לכנסת.
חנין היה חבר בוועדת הפנים ואיכות הסביבה ועמד בראש הוועדה המשותפת של הכנסת לענייני סביבה ובריאות. היה יו"ר השדולה הסביבתית-חברתית, השדולה הגדולה בכנסת ה-17, יחד עם חבר הכנסת הרב מיכאל מלכיאור.
בכנסת ה-18 עמד בראש השדולה הסביבתית-חברתית יחד עם חבר הכנסת ניצן הורוביץ, השדולה למען העסקה ישירה יחד עם חברי הכנסת זבולון אורלב ומשה גפני, והשדולה למען הדיור הציבורי יחד עם חברות הכנסת אורלי לוי-אבוקסיס ומירי רגב.
חנין היה ממובילי המאבקים נגד שילוט חוצות בנתיבי איילון ונגד הריסת בתים בכפר שלם. בראשית 2008 נמנה עם מייסדי תנועת "עיר לכולנו", הפועלת לקידום רפורמה סביבתית-חברתית במטרופולין תל אביב, והתמודד על ראשות עיריית תל אביב-יפו מטעם התנועה בבחירות המוניציפליות שנערכו בנובמבר 2008. הוא זכה בכשליש מקולות הבוחרים, אך לא גבר על ראש העיר המכהן, רון חולדאי. בבחירות למועצת העיר תל אביב בשנת 2013, הוצב במקום 21 הסמלי מטעם התנועה.
בבחירות לכנסת ה-18 הוצב במקום השלישי ברשימת חד"ש לכנסת ונבחר לכנסת לאחר שהסיעה זכתה ב-4 מנדטים. בכנסת זו שימש כיו"ר הוועדה המשותפת לנושאי סביבה ובריאות, כחבר בוועדת הפנים והגנת הסביבה וכחבר בוועדת המשנה לנושא ביטחון פנים.
חנין התנגד למלחמת לבנון הראשונה מיומה הראשון, וגם למבצע עופרת יצוקה שאותו תיאר כך: "זו הייתה התקפה דרמטית וברוטלית על מקום מסכן. מקום אומלל ומוכה גורל שבנוסף לכל הצרות הנחיתו עליו גם תמרות אש איומות מהשמים".
בריאיון לארי שביט הציג חנין אחדות מעמדותיו:
בשנת 2010 קיבל חנין את אות אביר איכות השלטון בקטגוריית הרשות המחוקקת, מטעם התנועה למען איכות השלטון. באתר התנועה נכתב כי האות ניתן "בהוקרה על תרומה חשובה לחיזוק שלטון החוק ואיכות השלטון בישראל". עוד נכתב כי "חבר הכנסת ד"ר דב חנין הוא דוגמה ומופת לפעילות ענפה של שליח הציבור ונאמנו בבית המחוקקים. תרומתו לרווחתם של תושבי המדינה ולבריאותם ראויה לכל שבח".
בשנת 2012 דורג חנין במקום הראשון במדד החברתי של חברי הכנסת עבור מושב החורף – המדד החברתי הוא כלי של המשמר החברתי למדידת תרומתם של חברי הכנסת לחקיקה כלכלית-חברתית צודקת. כמו כן קיבל חנין את אות הפרלמנטר של המכון הישראלי לדמוקרטיה על פעילותו כחבר כנסת במושב השלישי של הכנסת ה–18, ואת אות הגלובוס הירוק בקטגוריית אישיות ציבורית.
לקראת הבחירות לכנסת התשע עשרה, הוא מוקם בשנית במקום השלישי ברשימת חד"ש לכנסת ונבחר לקדנציה שלישית. בכנסת זו כיהן כחבר בוועדת הפנים והגנת הסביבה וכחבר בוועדה לקידום מעמד האישה ולשוויון מגדרי. כן כמו כן שימש כיו"ר השדולה הסביבתית-חברתית, כיו"ר השדולה למען ניצולי השואה, כיו"ר שדולת הדיור החברתי. כיהן כראש משלחת הכנסת לאספה הפרלמנטרית של הים התיכון.
לקראת הבחירות לרשויות המקומיות בשנת 2013, שובץ במקום האחרון ברשימת סיעת "עיר לכולנו" שייסד למועצת עיריית תל אביב-יפו.
חנין נבחר לכנסת העשרים מטעם הרשימה המשותפת בה מוקם במקום השמיני. בבחירות לכנסת ה-20.
במהלך הכנסת ה-20 חנין לקח חלק כחבר וחוקר מרכזי ב"וועדת החקירה הפרלמנטרית להתנהלות המערכת הפיננסית בהסדרי אשראי ללווים עסקיים גדולים" אשר הוקמה בעקבות קריסתו הכלכלית של פישמן שנודעה כפשיטת הרגל הגדולה ביותר בתולדות מדינת ישראל (בסכום של כ-4 מיליארד ₪). הוועדה הוקמה כדי לחשוף את ההתנהלות של המוסדות הפיננסיים והרגולטורים שנועדו לפקח עליהם ואת הצעדים שננקטו או לא ננקטו כדי למנוע הישנות של מקרים דומים, ובכך לשמור על האינטרס הציבורי ועל כספי הציבור. הוועדה בחנה לעומק את ההתנהלות ואת מערכת קבלת ההחלטות בהענקת אשראי לטייקונים מאז שנת 2003.
ב-1 בינואר 2019 הודיע כי לא יתמודד בבחירות לכנסת העשרים ואחת.
בארבע הקדנציות שלו בכנסת התבלט בהעברת חוקים, בליווי מאבקים חברתיים וסביבתיים, ובהובלת ועדות: ועדה משותפת לסביבה ובריאות, ועדה בענייני הזיהום במפרץ חיפה, ובכנסת הנוכחית – ועדת המשנה לתחבורה ציבורית. חנין עמד בראש השדולות הפעילות ביותר בכנסת במסגרתן נערכו ימים מיוחדים וכנסים וקודמה חקיקה: שדולת הדיור, השדולה הסביבתית-חברתית, שדולת הבריאות הציבורית, שדולת העסקה ישירה ושדולת ניצולי שואה.
באוקטובר 2021 לקראת ועידת האומות המאוחדות לשינוי אקלים, מינה נשיא המדינה יצחק הרצוג את דב חנין להיות יו"ר ה"פורום האקלים הישראלי" שהוקם בחסות הנשיא, שיפעל בשיתוף ארגון "חיים וסביבה" ונציגים מענפים שונים: ממשלה, כנסת, אקדמיה, שלטון מקומי, המגזר העסקי והתעשייתי לקיום דיונים על תפקידה של מדינת ישראל בהתמודדות עם משבר האקלים.
בדצמבר 2021 בחגיגת 25 שנים להיווסדו של מכון הערבה זכה באות הוקרה הנקרא "אות הערבה" על פעילותו כאיש חזון, משפטן ופעיל למען שלום, שוויון וצדק חברתי וסביבתי.
כנסים וימים מיוחדים.
במהלך כהונתו כח"כ הוביל ח"כ חנין כנסים וימים מיוחדים שנתנו קול לאוכלוסיות רבות שקולן אינו נשמע בכנסת ועוררו עניין ציבורי רב:
השקפת עולמו.
חנין תיאר את השקפת עולמו כמבוססת על שלושה ערכים מרכזיים:
סוציאליזם.
חנין תומך בסוציאליזם, אותו הוא מגדיר בתור "שינוי גדול במערכת הכלכלית-חברתית הבלתי-שוויונית, שבה מעטים טובעים בשפע חסר תקדים אבל רבים נותרים מאחור: עוני מסוגים חדשים מתרחב, שכבות הביניים נשחקות ורשתות ביטחון חברתיות, שהושגו בעבר, מתפוררות". כפוליטיקאי המזדהה כמחויב לערכים סוציאליסטיים, חנין הוביל חקיקת עשרות חוקים חברתיים, וגם התייצב פעמים רבות בתמיכה במאבקי עובדים. עם זאת, הוא הבהיר לא אחת כי תמיכתו בסוציאליזם אין פירושה תמיכה בלתי-ביקורתית במודל שהיה קיים בברית המועצות. במאמר שפרסם בשבועון של מק"י ב-1991, עם קריסת ברית המועצות וגוש הארצות הסוציאליסטיות במזרח-אירופה, כתב חנין כי מה שנחוץ הוא "לא סוציאל-דמוקרטיה ולא סטליניזם, אלא שמאל מהפכני ומודרני, שיוכל באמת לקדם את האתגר הסוציאליסטי".
שלום.
חנין היה פעיל בתנועת השלום כבר בצעירותו, והיה מראשוני המפגינים נגד מלחמת לבנון הראשונה. עם בחירתו לכנסת, המשיך להפגין ולבטא ביקורת כלפי מלחמת לבנון השנייה ב-2006 וכלפי המלחמות בעזה. להשקפתו, "בעבור ישראל השגת השלום היא הכרח קיומי. אם ישראל לא תדע למצוא דרך לחיות עם השכנים במרחב הערבי והמוסלמי הגדול שבתוכו אנחנו נמצאים, אין לנו עתיד כאן. שלום ישראלי-פלסטיני אמיתי צריך להבטיח לשני העמים צדק ועצמאות, צריך לתת גם לעם הפלסטיני את מה שיש לעם בישראל: מדינה עצמאית".
שותפות יהודית-ערבית.
חנין היה חניך בתנועת נוער יהודית-ערבית משותפת, וגם כסטודנט היה חבר בתא יהודי-ערבי משותף בשם קמפו"ס. עם היבחרו לכנסת ברשימת חד"ש, ובהמשך ברשימה המשותפת, הדגיש כי השותפות היהודית-ערבית היא יסוד בהשקת עולמו. לדבריו: "המציאות בישראל מפרידה כל הזמן יהודים מערבים, אבל האינטרס של שני העמים שלנו הוא ליצור שותפות שתהפוך את הארץ הזו למקום צודק ובטוח לכולם. ברור ששותפות יהודית-ערבית היא בבחינת שחייה נגד הזרם, גם בציבור היהודי וגם בציבור הערבי, אבל נגד הזרם העכור של שנאת האחר והגזענות חייבים לשחות, ואני משוכנע גם שבסופו של דבר, אם נפעל נכון, נוכל גם לשנות את כיוונו של הזרם".
מרקסיזם וקומוניזם.