2012年12月16日の第46回衆議院議員総選挙に大阪5区から民主党公認候補（引退を表明した稲見哲男の後継）として立候補したが落選。2013年5月に民主党参議院議員の室井邦彦が辞職したため、公職選挙法の規定により参議院議員に繰り上げ当選した。同年7月の参議院選挙には出馬せず、任期満了。2014年一般社団法人LGBT政策情報センターを設立し代表理事に就任。なお、LGBTであることを公表した国会議員は尾辻が初めてとされる。