Deniz Baykal, 1960'lı yıllara doğru Demokrat Parti iktidarına karşı gelişen öğrenci hareketlerinde yer alarak siyasete başladı. CHP'nin 1965 genel seçimlerindeki yenilgisini analiz ettiği ve daha sonra doçentlik tezine dayanak olan raporla CHP yönetiminin dikkatini çekmeyi başaran Baykal, doçent olduğu 1968'de parti saflarına katıldı. Baykal, 14 Ekim 1973'te yapılan genel seçimlerde 185 milletvekili kazanarak birinci olan CHP'den Antalya milletvekili seçildi ve yarım asırdan fazla sürecek siyasi yaşantısında ilk kez parlamentoya adım attı.

Ecevit hükümetinde Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı yaptı. Siyasetteki yükselişi daha ilk yıllardan başlayan Baykal, 1974'te Bülent Ecevit'in başbakanlığında kurulan CHP-MSP koalisyon hükümetinde Maliye Bakanlığı, 1978'de yine Ecevit Başbakanlığındaki hükümette Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı yaptı. Deniz Baykal bu dönemde CHP Parti Meclisi ve Merkez Yönetim Kurulu üyeliği, genel sekreter yardımcılığı görevlerinde bulundu.

Baykal, 1979 Ekim ara seçimlerinden sonra toplanan olağanüstü CHP Kurultayı'nda parti yönetimini ağır şekilde eleştirdi. 12 Eylül 1980 askeri müdahalesinden sonra ise bir süre Ankara'da Ordu Dil Okulu'nda gözetim altında tutuldu. 1982 Anayasası'nın 5 yıl süreyle siyasi yasak getirdiği politikacılar arasında yer aldı. Baykal, 1983'te siyasi partilerin kurulmasına izin verilmesinden sonra "yasaklı olmalarına rağmen faaliyetlerini sürdürdüğü" gerekçesiyle bir grup önde gelen CHP'li ve AP'li politikacıyla Çanakkale Zincirbozan Askeri Tesisleri'nde ikinci kez gözetim altına alındı.

1984'te Sosyal Demokrasi Partisine (SODEP) giren Baykal, bu partinin Sosyaldemokrat Halkçı Partiyle (SHP) birleşmesiyle SHP'li oldu. Eylül 1987'deki genel seçimlerde SHP'den Antalya milletvekili seçilen Baykal, SHP'de önce grup başkanvekilliği, ardından genel sekreterlik görevlerinde bulundu. 1990'da demokratikleşme çabalarına ilişkin rapor hazırlattı. SHP'de bu dönemden başlayarak olağan ve olağanüstü kurultaylarda Genel Başkan Erdal İnönü'nün üç defa karşısına çıktı ancak başarılı olamadı.

54 yaşında genel başkan seçildi. Deniz Baykal, 9 Eylül 1992'de toplanan CHP Kurultayı'nda genel başkanlığa seçildi. 1994'te yapılan yerel seçimlerde sol partilerin birleşme arayışlarına sahne oldu. SHP ve CHP, 18 Şubat 1995'te birleşti. Baykal, 30 Ekim 1995'te kurulan DYP-CHP koalisyon hükümetinde başbakan yardımcılığı ve dışişleri bakanlığı görevlerini yürüttü. 24 Aralık 1995 milletvekili genel seçimlerinde yeniden Antalya milletvekili oldu.

23 Mayıs 1998'de yapılan CHP'nin 27. Olağan Kurultayı'nda genel başkanlığa 3. kez seçildi. 18 Nisan 1999 seçimlerinde CHP ve Deniz Baykal ilk kez seçim sonuçlarıyla parlamento dışında kaldı. 22 Nisan 1999'da istifa eden Baykal, 30 Eylül 2000'de yeniden seçilerek CHP Genel Başkanı oldu. CHP, 3 Kasım 2002 genel seçimlerinde yüzde 19,4 oyla 177 milletvekili kazandı.

Baykal, 29 Ocak 2005'te yapılan CHP Olağanüstü Kurultayı'nda rakibi Mustafa Sarıgül'ü yenerek genel başkanlık görevine devam etti. 10 Mayıs 2010'da gündeme gelen gizli kamera görüntüleri nedeniyle istifa etti. Bu süreçte hem partisi hem de ülke meseleleriyle ilgili gelişmelerde yaptığı açıklamalarla her zaman gündemde kalmayı sürdürdü.

Baykal, 7 Haziran 2015 genel seçimlerinden sonra Meclis'in en yaşlı üyesi sıfatıyla 23 Haziran 2015 günü 25. dönemin ilk oturumunu açtı. CHP, 30 Haziran 2015'te yapılan TBMM başkanlık seçimleri için Baykal'ı aday gösterdi ancak seçimi kazanamadı. Baykal, 1 Kasım 2015'te yapılan seçimlerde yeniden CHP'den Antalya Milletvekili seçildi.

Deniz Baykal, 11 Şubat 2023'te Ankara Beysukent'teki evinde 84 yaşında yaşamını yitirdi.