해방 이후 국민대학 교수, 입법의원 전문위원, 총무과장, 중앙선거위원회 선전부장 등을 지냈다.
1948년 6월 1일 헌법기초위원회 전문위원에 선임되었다.[1] 이후 국회 법제조사국장, 헌법기초위원 등을 역임하고, 1950년 제2대 국회의원(강원도원주군, 무소속)으로 당선되었다.
1956년조봉암이 주도한 진보당의 창당에 참여하여 간사장이 되었으나, 1958년 1월 이른바 '진보당 사건'으로 이승만 정권에 의하여 체포되었다. 그 후 윤길중을 포함한 대부분의 간부들은 대법원에서 무죄 판결을 받았지만 조봉암은 사형 선고를 받았고, 진보당은 해산되고 말았다.
이후 박정희 정권에 맞서 삼선개헌 반대운동을 전개하고, 1971년 제8대 국회의원(서울 영등포구, 신민당)으로 당선되었으나, 1980년국가보위입법회의 의원이 된 것을 계기로 여당 정치인으로 변신하여 민주정의당 창당발기인이 되고 제11,12,13대 국회의원으로 당선되었으며 1983년에는 국회 부의장을 지내기도 했다.