ธรรมนัสเริ่มงานการเมืองกับพรรคไทยรักไทยเมื่อปี พ.ศ. 2542 ต่อมาในปี พ.ศ. 2557 ได้ลงสมัครสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรระบบบัญชีรายชื่อของพรรคเพื่อไทย แต่การเลือกตั้งดังกล่าวเป็นโมฆะ ต่อมาเมื่อคณะรักษาความสงบแห่งชาติเข้ายึดอำนาจ เขาเป็นหนึ่งในบุคคลที่ คสช. มีคำสั่งเรียกมารายงานตัว ต่อมาในปี พ.ศ. 2561 ธรรมนัสได้เข้าร่วมกับพรรคพลังประชารัฐ โดยได้รับแต่งตั้งเป็นประธานกรรมการยุทธศาสตร์ภาคเหนือของพรรค และได้รับการเลือกตั้งเป็นสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรจังหวัดพะเยา เขตที่ 1 โดยชนะอรุณี ชำนาญยา เจ้าของพื้นที่เดิมจากพรรคเพื่อไทย ต่อมาในปี พ.ศ. 2564 ได้รับการแต่งตั้งเป็นเลขาธิการพรรคพลังประชารัฐ