Roman Onderka je členem sociální demokracie od roku 1997. Opakovaně byl místopředsedou strany.
V ČSSD patřil ke stoupencům místopředsedy Michala Haška. Po volbách 2013 podal na jednání předsednictva strany návrh, aby její předseda Bohuslav Sobotka rezignoval a zároveň navrhl jeho vyřazení z týmu vyjednávačů o sestavení vlády.
V letech 2017 až 2021 byl poslancem. Začátkem dubna 2018 byl opět zvolen místopředsedou sociální demokracie.
V průběhu kariéry zastával různé funkce v rámci Zastupitelstva města Brna a městské části Brno – Starý Lískovec.
Primátorem se stal v roce 2006, ačkoliv ČSSD skončila ve volbách druhá. Vítězná ODS však nesehnala koaličního partnera, a tak vládu převzali sociální demokraté společně s lidovci, zelenými a nestraníky z kandidátky Brno 2006.
O čtyři roky později sociální demokracie volby vyhrála a koalici vytvořila s ODS. Volby 2014 Onderkovo primátorství ukončily. ČSSD skončila druhá a odešla do opozice. Vládu nad městem převzala čtyřkoalice ANO, KDU-ČSL, Žít Brno a Strany zelených v čele s Petrem Vokřálem.
Vysokoškolské vzdělání získal až v primátorském úřadě. Bakalářské studium na Vysoké škole Karla Engliše v Brně ukončil v roce 2009, o dva roky později vyšlo najevo, že Onderkova bakalářská práce byla zcela nevyhovující. Vedoucí bakalářské práce byl kvůli tomu odvolán z místa prorektora.
