國會生涯
在大戰踏入尾聲的時候，威爾遜開始尋求在臨近的大選中，覓得一個下議院議席，於是他被指派出選奧姆斯克(Ormskirk)選區，挑戰另一候選人史蒂芬·金-賀(Stephen King-Hall)。最初，威爾遜打算在大選召開前夕才宣佈參選，但他卻意外地答應立即宣佈參選，結果被迫提早脫離公務員行列。在這段時間，他寫了《採煤業的新政》(A New Deal for Coal)一文，以他在大戰期間的工作經驗，反駁國有化有助提升煤礦採礦效率的理論。
在1945年大選，工黨擊敗保守黨，在大選中取得了大勝，而威爾遜也順利地當選國會議員。但他意想不到的是，他立即被聘任爲公務部(Ministry of Works)的國會祕書。兩年後，他被改派爲海外貿易祕書(Secretary for Overseas Trade)，任內曾數次到訪蘇聯，商討貿易事宜，但這些外訪在日後卻遭對手指爲有通敵之嫌。
在1947年10月14日，年僅31歲的威爾遜被任命爲貿易委員會主席(President of the Board of Trade)，晉身內閣，成爲了20世紀最年輕的閣員。在任內，他大力提倡通過《1947年貿易統計學法案》，改革英國收集經濟數據的法則，而該法案亦一直沿用至今。另外，他又帶頭動議廢除戰時的配給制度。到了1950年大選，由於選區改易，威爾遜轉到新設立的海頓(Huyton)選區，最終以些微的票數險勝。
爲了籌措足夠的軍費以應付朝鮮戰爭，工黨政府在1951年決定國民保健署(National Health Service)將對藥物收取費用，此舉使威爾遜跟隨了安奈林·貝文(Aneurin Bevan)的行列，在1951年4月宣佈辭去所有政府職務，以示抗議，從此，威爾遜亦開始被視爲左派人物。同年10月，工黨政府垮臺，威爾遜成爲貝文的“靠左派”主席，但不久以後，威爾遜卻開始與貝文保持距離。巧合地，貝文後來在1954年宣佈進一步辭去影子內閣的職務，威爾遜遂立即被起用。
反對黨生涯
威爾遜是位十分能幹的影子閣員，除了成功使保守黨政府的《1955年財政法案》流產外，他在1956年發表的一則精闢的言論更贏得不少掌聲。當年，擔任影子內閣財政大臣的威爾遜，以“蘇黎世的地精”(gnomes of Zürich)來形容瑞士的銀行家，諷刺他們企圖以投機手段使英鎊貶值。另一方面，工黨在1955年大選落敗後，他曾展開調查，試圖找出工黨落敗的原因，並提出數點有用可行的建議。在1959年，威爾遜又成功將下議院的賬目委員會主席一職，合併到影子內閣財政大臣身上。
在1960年，仍然被視爲左派的威爾遜，嘗試在黨魁選舉中挑戰黨魁曉治·蓋茨克(Hugh Gaitskell)，雖然在蓋茨克的帶領下，工黨在1959年大選中大熱倒竈，後來又受廢除“第四款”一事蒙上陰影，但威爾遜仍然落敗。其後在1962年，威爾遜參選副黨魁選舉，卻被喬治·布朗擊敗。此後，他出任影子內閣外務大臣一職。
正當工黨重整旗鼓的時候，曉治·蓋茨克卻在1963年1月突然死亡。威爾遜於是再度成爲了黨魁選舉的左翼候選人，挑戰喬治·布朗，後來由於卡拉漢加入選戰，分散了黨內的右翼選票，以致威爾遜在選舉勝出，成爲了新任工黨黨魁。不久以後，保守黨政府爆發了“普羅富莫事件”(Profumo Affair)，威爾遜譴責“醜聞揭露了我們社會裏病態的一面”，從而搏得不少支持，至於麥美倫的保守黨政府亦因醜聞而大受打擊，促使麥美倫在1963年10月辭去首相一職，由亞歷克·道格拉斯-霍姆爵士接任。霍姆由於是貴族，不能在下議院發言，以致他上任後立即宣佈放棄他的伯爵爵位。道格拉斯-霍姆下臺後，威爾遜曾在議會取笑他是霍姆伯爵十四世，霍姆立即迴應道：“我相信威爾遜先生是威爾遜先生十四世吧!”
首相生涯
1964年至1970年
受“普羅富莫事件”影響，工黨得以在1964年大選中險勝，於下議院取得4席的多數優勢，並由威爾遜出任首相一職。然而，由於工黨只有僅4席的多數優勢，難以確保政府不會垮臺，威爾遜唯有小心行事，在18個月後，即1966年3月，再次舉行大選。這次大選中，執政工黨擴大了多數優勢至96席，進一步穩定了威爾遜政府。此外，威爾遜上任首相後，他鐘愛吸菸鬥、穿著Gannex牌雨衣的形象，以及愛到西西里島度假的習慣，也漸漸深入民心。
在1963年尾的工黨大會中，威爾遜在會上發表了一番重要言論，指“英國將會趕到科學與科技革命的白熱(white heat)中，而過時落伍的工業制度和運作方法則會被淘汰”。這段言論爲威爾遜贏得不少支持，使他被視爲技術專家政治論者(technocrat)的代表，別具一格地獨立於社會傳統。
(根據在2005年6月1日公開的內部文件顯示，威爾遜在西西里島度假時，曾指有假裝成漁船的蘇聯船隻監視他。雖然MI5調查後並沒有任何發現，但仍叫他不要使用無線對講機。)
在第一段任期內，威爾遜政府創立了公開大學，他一直對這項建設十分重視，並認爲這是他任首相的最大成就之一。
在海外事務上，威爾遜備受殖民地危機的困擾，當中又以非洲的羅德西亞和南非的問題最爲棘手。基於原則的問題，威爾遜一直不容許羅德西亞首相伊恩·史密斯(Ian Smith)帶領羅德西亞獨立，因爲史密斯是分離主義者，而且又是白人小數政府的領袖，並不能代表當地佔大多數的黑人。結果史密斯在1965年11月11日宣佈了《單分面獨立宣言》(Unilateral Declaration of Independence，簡稱UDI)，將羅德西亞從英國獨立。然而，威爾遜不肯退讓，一直對獨立宣言不予承認，隨後更成功向聯合國申請對羅德西亞進行制裁。此外，威爾遜又拒絕應美國的要求，對越戰提供軍事援助，而只同意提供外交援助。
在經濟事務上，威爾遜常被對手指爲態度曖昧。例如，威爾遜一直反對英鎊貶值，但當英鎊隨後在1967年11月貶值後，他卻在電臺講話中，視貶值因爲一種勝利，並說道：“從政治的角度來看，一個星期是一段長時間”(A week is a long time in politics)，他這番話的意思，是指政府在初頭可能做得不好，但最終一定會有所交待，反之亦然。爲了穩定民心，威爾遜又說貶值一事“並不代表在英國 —你錢包裏的英鎊—的價值少了……”(This does not mean that the pound here in Britain — in your pocket or purse — is worth any less ...)。另一方面，威爾遜在處理工業糾紛的問題上亦被評爲效率過低。當中，全國海員聯合會(National Union of Seamen)就曾在1966年大選後發動罷工，罷工持續了六星期，對威爾遜的聲望明顯有所打擊。
威爾遜在1965年顯示了平民主義者的一面，決意向披頭士樂隊頒贈MBE勳銜(在現今的英國，勳銜均由君主作正式的授勳，但事實上，受勳的人士皆由首相提名)。披頭士獲勳一事，使國內的年輕一輩認爲，首相與年輕人之間有“接觸”，但國內佔小數的保守主義者，和曾同樣獲勳的老軍人卻表示反對。批評者認爲威爾遜希望授勳一事可爲他在下屆大選(將在一年內舉行)取得年輕人的支持，但亦有不少人反駁，指出英國當時法定的最低投票歲數是21歲的成人，而披頭士的歌迷卻以青少年爲主。不管誰是誰非，可以肯定的是，事件使威爾遜成功塑造出現代領袖的形象，披頭士樂隊也把他視爲“新英國”的驕傲。
可是到了1967年，威爾遜卻與另一樂隊The Move陷入瓜葛，其後他更控告該樂隊的經理人誹謗。原因是該樂隊在爲單曲《Flowers In The Rain》印製的宣傳明信片上，畫有一個卡通化的威爾遜與女助手睡在同一張牀上，結果引致原有的緋聞被廣泛流傳。最終威爾遜勝訴，樂隊則被法院裁定，他們從該首歌曲所賺到的金錢，必須用作威爾遜的終生養老金，但後來在威爾遜要求下，賺到的金錢一概捐到他指定的慈善團體。
在1966年，威爾遜獲任命爲布拉德福德大學的首任校長，他一直出任此職至1985年。
1970年至1974年
在1969年的時候，工黨的支持率曾經下跌，但到了1970年又重新回升。適逢任期將屆，威爾遜遂趁機在1970年6月宣佈舉行大選，以鞏固自己的支持。在大選臨近的時候，保守黨在塞爾斯登公園酒店意外泄露一份政策文件，內容大約指出保守黨將會任用頗激進的貨幣主義者，推動以自由市場爲方針的政策，去解決國內的通貨膨脹和失業問題。消息傳出後，威爾遜立即指出保守黨的政策失當，並以“塞爾斯登人”(Selsdon Man)來取笑保守黨的政策反動保守。然而，當時的輿論低估了大衆的反工黨情緒，以致威爾遜出乎意料地在大選中輸給了保守黨的希思。可是，由於希思上任後未能有效解決國內的種種問題，所以威爾遜在1974年2月的大選中以些微的多數優勢擊敗希思，重新上臺執政。爲了進一步鞏固工黨在下議院的多數優勢，威爾遜在同年10月再度召開大選，併成功拉闊工黨在議會的多數優勢。
1974年至1976年
在1974年的兩次大選的競選活動間，威爾遜曾承諾將就英國加入歐洲共同體的條款作重新談判，再決定英國是否留在歐共體。結果威爾遜上臺後，下議院通過英國將在新的條款下留在歐共體，隨後威爾遜又舉行了公投，投票在1975年6月5日有了結果，結果確認了下院的議決。
早在1971年9月，威爾遜曾發表了他對愛爾蘭統一的看法，以迴應日益惡化的愛爾蘭問題。其中，威爾遜定下了目標，希望英國在1986年時離開北愛爾蘭。但威爾遜上臺後，他沒有實行這些目標。
到了1974年5月，威氏譴責愛爾蘭聯合論者策劃的阿爾斯太工人罷工，是帶有宗教性質的，而且“罷工的宗教目的與17世紀拉上了關係”。可是，威爾遜卻拒絕派出軍隊鎮壓這些強迫工人罷工，兼帶有準軍事性質的親政府分子。不久以後，威爾遜又在電視發表演說，指罷工的親政府分子和他們的支持者都是國家的“寄生蟲”，指望國家會供養他們。最終，罷工人士取得了勝利，成功迫使政府廢除北愛爾蘭行政長官一職，並促使伊迪·阿敏向威爾遜發電報，表示願意在烏干達提供舉行和談的場地。
辭職風波
在1976年3月16日，威爾遜突然以倦勤爲由，宣佈自己將會辭去首相一職。在聲明中，他指自己在一直身心俱疲，原已決定在60歲退休，而早在1960年代晚期，威爾遜亦已向同僚透露，自己最多隻能夠續任8至9年首相。然而，到了1976年，威氏發現自己患上初期的阿爾茲海默病，以往強勁的記憶力和集中力皆急速退化，最終造成威爾遜富戲劇性的辭職。
威爾遜宣佈辭職後，英女皇伊莉莎伯二世特意到唐寧街10號參加晚宴，以示感謝他的貢獻。除他以外，只有丘吉爾爵士曾獲同樣的榮譽。
威爾遜辭職的同時，還撰寫了一份獲勳人士名單，獲勳人士除了有他的支持者外，還包括不少商人和社會名流。然而，名單中的不少獲勳人士隨後卻頻頻牽涉醜聞。如獲男爵銜的卡根勳爵(Lord Kagan)，最終因爲詐騙罪成入獄;而獲冊封爲爵士的艾利克·米勒爵士(Sir Eric Miller)，隨後因涉嫌貪污被警方調查，最後自殺身亡。該份獲勳名單由威爾遜的助手瑪莎·威廉斯(Marcia Williams)撰寫，初稿寫在薰衣草色的筆記紙上，因而被稱爲“薰衣草名單”(The Lavender List)。整件事件使輿論認爲威爾遜有私相授授之嫌，結果對他卸任後的聲望構成了深遠的打擊。
黨魁選舉在威氏辭職後舉行。在第一輪投票中，東尼·貝恩(Tony Benn)、卡拉漢、安東尼·克羅斯蘭(Anthony Crosland)、邁克爾·富特(Michael Foot)、丹尼士·希利(Denis Healey)和羅伊·詹金斯(Roy Jenkins)都參與角逐。詹金斯雖然是熱門候選人，但最後在第一輪選舉卻屈居第三名。第二輪選舉在1976年4月5日舉行，卡拉漢以176票擊敗富特的137票，正式成爲威爾遜的繼任人，出任首相和工黨黨魁。
