Dienstbier mladší patřil mezi organizátory studentského protestu ze 17. listopadu 1989, pak na dva roky nakoukl do parlamentu jako zástupce studentů. Byl v komisi, která vyšetřovala policejní zákrok na Národní třídě.
Po prvních svobodných volbách v roce 1990 byl Dienstbier dva roky poslancem Federálního shromáždění, pak se angažoval zejména v pražské komunální politice.
V roce 2011 vyhrál doplňovací volby do Senátu na Kladensku a v horní komoře parlamentu nahradil svého zesnulého otce. Mandát v říjnu 2014 v řádných volbách obhájil. Ve volbách 2020 se mu ale obhajoba nezdařila, neuspěl už v prvním kole.
V prezidentských volbách v roce 2013 skončil se ziskem 16,12 procent hlasů na čtvrtém místě. Do druhého kola podpořil Karla Schwarzenberga proti pozdějšímu vítězi Miloši Zemanovi.
V Sobotkově stínové vládě figuroval na pozici ministra spravedlnosti, ale při jmenování řádné vlády v lednu 2014 Dienstbierovi připadl resort ministra pro lidská práva a rovné příležitosti, předsedy Legislativní rady vlády. V listopadu 2016 ho ve vládě nahradil Jan Chvojka.