W latach 1993–2005 należał do Unii Polityki Realnej. Był kolejno prezesem koła bytomskiego, prezesem okręgu śląskiego i członkiem rady głównej tej partii. Z list UPR kandydował bez powodzenia do Sejmu w 1991, 1993 i 1997 oraz do Parlamentu Europejskiego w 2004. W tym samym roku był kandydatem na senatora w wyborach uzupełniających do Senatu w okręgu katowickim. W lutym 2005 odszedł z UPR, przystępując do Platformy Obywatelskiej. Z listy tej partii kandydował bez powodzenia w wyborach do Sejmu w 2005, od 2006 zasiadał we władzach regionalnych PO.
W wyborach parlamentarnych w 2007 z ramienia Platformy Obywatelskiej został wybrany do Senatu RP VII kadencji w okręgu gliwickim, otrzymując 129 826 głosów. Zasiadł w Komisji Nauki, Edukacji i Sportu oraz Komisji Rolnictwa i Ochrony Środowiska. W 2011 z powodzeniem ubiegał się o reelekcję, w nowym okręgu nr 71 dostał 49 705 głosów. W 2015 został ponownie wybrany na senatora (tym razem w okręgu nr 80), otrzymując 42 863 głosy. 13 grudnia 2017 wystąpił (razem z senatorem Leszkiem Piechotą) z Platformy Obywatelskiej i jej klubu parlamentarnego. Sześć dni później obaj senatorowie dołączyli do klubu parlamentarnego Prawa i Sprawiedliwości. W kwietniu 2018 Andrzej Misiołek został członkiem partii PiS.