W 1995 objęła stanowisko zastępcy mera Lille. W 1997 została posłanką do Zgromadzenia Narodowego XI kadencji. Zrezygnowała jednak wkrótce z mandatu, obejmując urząd ministra spraw socjalnych w rządzie Lionela Jospina. Jej główną reformą było wprowadzenie 35-godzinnego tygodnia pracy, prawa nazwanego od jej nazwiska Loi Aubry. Reforma redukowała tygodniowy czas pracy z 39 do 35 godzin. Zrezygnowała z pracy w rządzie w związku z wyborem w 2001 na stanowisko mera miasta Lille. W 2008, 2014 i 2020 z powodzeniem ubiegała się o reelekcję.
W 2008 Martine Aubry wzięła udział w wyborach na funkcję I sekretarza Partii Socjalistycznej. W pierwszej turze głosowania (20 listopada) zajęła drugie miejsce z wynikiem 34,5% głosów, za Ségolène Royal (popartą przez 42,9% delegatów). W drugiej turze wyborów z 22 listopada pokonała swoją konkurentkę, zdobywając 50,02% głosów (różnica 42 głosów). Wyniki te zostały zakwestionowane przez Ségolène Royal, która zażądała powtórnego przeliczenia głosów. 25 listopada 2008, po powtórnym przeliczeniu głosów, Martine Aubry została oficjalnie ogłoszona nowym przewodniczącym Partii Socjalistycznej. Pokonała Ségolène Royal różnicą około 100 głosów na około 135 tys.