A fost ales senator în Parlamentul României, din partea PSD, atât în legislatura 2008-2012, cât și în legislatura 2012-2016. La data de 18 decembrie 2013, acesta a fost numit de Senat ca judecător al Curții Constituționale,[4] pentru terminarea mandatului judecătoarei Iulia Motoc, care a demisionat pentru a deveni judecător CEDO.[5] Ca urmare a demisiei din Senat, a fost înlocuit de către senatorul Mihnea Cosmin Costoiu. Toni Greblă a demisionat din funcția de judecător CCR în februarie 2015.[6] Ulterior, a ocupat funcția de Secretar General al Guvernului Viorica Dăncilă,[7] între 2018-2019.
În luna mai 2022, acesta a fost numit în funcția de Prefect al Bucureștiului de către Guvernul Nicolae Ciucă, înlocuind-o pe Alexandra Văcaru.[8]