A militância politica tornou-se uma extensão de suas atividades como médico e escritor. Membro dedicado do Partido Comunista Brasileiro, foi eleito, em assembleia de fundação no Teatro São Pedro, em Porto Alegre, presidente da seção regional da Aliança Nacional Libertadora (ANL). Já em 1935 foi acusado de atentar contra a ordem política e social ao trabalhar para a realização de uma greve de gráficos. Solto mediante sursis, voltou a ser preso no mesmo ano, por ocasião dos Levantes de 1935. As posições ideológicas de Dyonélio Machado custaram-lhe dois anos de sua vida, passados em prisões políticas. Entretanto, não muda suas convicções, elegendo-se deputado estadual nas eleições de 1947, pelo PCB (ainda legalizado). Tornou-se líder desta bancada, na Assembléia Legislativa do Rio Grande do Sul, que contava com Antonio Ribas Pinheiro Machado Neto e Otto Ohlweiler.