Olaf Lies ist seit Januar 2002 Mitglied der SPD. Im Februar 2002 wurde er Vorsitzender des SPD-Ortsvereins Sande sowie Mitglied im Sander Gemeinderat. Im Mai 2003 wurde er stellvertretender Vorsitzender des SPD-Unterbezirks Friesland und im Mai 2005 Unterbezirksvorsitzender. Im September 2005 folgte die Mitgliedschaft im SPD-Bezirksvorstand Weser-Ems. Seit November 2006 ist er Mitglied im Kreistag des Landkreises Friesland sowie stellvertretender Landrat.
Bei den Landtagswahlen 2008, 2013, 2017 und 2022 zog er jeweils als direkt gewählter Abgeordneter des Wahlkreises Friesland in den Niedersächsischen Landtag ein. Im Landtag war er von 2010 bis 2013 stellvertretender Vorsitzender der SPD-Fraktion und hafenpolitischer Sprecher.
Am 29. Mai 2010 wurde er vom Landesparteitag der SPD Niedersachsen in Stade mit 91,1 Prozent zum neuen Landesvorsitzenden und Nachfolger von Garrelt Duin gewählt.[2] Am 16. September 2011 gab Olaf Lies bekannt, sich um die Spitzenkandidatur der SPD Niedersachsen bei der Landtagswahl 2013 zu bewerben. Der Kandidat wurde am 27. November 2011 in einem Mitgliederentscheid bestimmt, bei dem neben Lies auch Hannovers Oberbürgermeister Stephan Weil kandidierte.[3] Lies unterlag allerdings seinem Herausforderer mit 46,1 Prozent zu 53,3 Prozent der gültigen Stimmen.[4] Nach dem Mitgliederentscheid stellte Lies seinen Posten als Vorsitzender zur Verfügung. Am 20. Januar 2012 wurde Weil auf einem außerordentlichen Parteitag in Oldenburg zum neuen Landesvorsitzenden der niedersächsischen SPD gewählt. Lies wurde mit 87,3 Prozent der Stimmen und ausdrücklicher Unterstützung von Weil zum stellvertretenden Landesvorsitzenden gewählt.[5]
Am 19. Februar 2013 wurde Lies als Minister für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr in das Kabinett Weil I berufen.[6] Aufgrund seiner Tätigkeit als Wirtschaftsminister wurde er ab 19. Februar 2013 auch Mitglied des Aufsichtsrates der Volkswagen AG.[7] Am 16. November 2017 wurde er als Minister für Umwelt, Energie, Bauen und Klimaschutz in das Kabinett Weil II berufen, weil das Wirtschaftsressort an den neuen Koalitionspartner CDU überging. Am 8. November 2022 wurde er als Minister für Wirtschaft, Bauen, Verkehr und Digitalisierung in das Kabinett Weil III berufen.