Hans politiske karriere startet i Vestsjællands Amtsråd. Han ble valgt til Folketinget i 1981, men sluttet som folketingsmedlem i 1998 da han ble medlem av Kalundborg byråd. I 2002 ble han borgermester. Etter kommunesammenslåingene i 2005 beholdt Tommy Dinesen som den eneste av SFs borgermestre sin tittel og ble borgermester i den nye Kalundborg kommune. 24. januar 2008 meddelte han at han på førstkommende byrådsmøte trer tilbake av helsemessige årsaker. Han fortsatte som byrådsmedlem.