१९७० के दशक की शुरुआत में, दीक्षित यंग वीमेन एसोसिएशन की अध्यक्ष थीं और तब उन्होंने दिल्ली में कामकाजी महिलाओं के लिए दो बड़े छात्रावासों की स्थापना में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई थीं। १९७८ से १९८४ के बीच, वह कपड़ा निर्यातकर्ता संघ (गार्मेंट्स एक्स्पोर्टर्स एसोसियेशन) के कार्यपालक सचिव पद पर भी रही।

१९८४ के आम चुनावों में दीक्षित ने उत्तर प्रदेश के कन्नौज लोक सभा निर्वाचन क्षेत्र से कांग्रेस के टिकट पर चुनाव लड़ा, जिसमें उन्होंने लोक दल प्रत्याशी छोटे लाल यादव को ६१,८१५ मतों से पराजित किया। कन्नौज में उनके द्वारा किये गए प्रमुख विकास कार्यों में हरदोई को जिले से जोड़ने के लिए गंगा नदी पर पुल का निर्माण, तिर्वा में दूरदर्शन रिले सेंटर की स्थापना, टेलीफोन एक्सचेंज का मैनुअल से आटोमेटिक में परिवर्तन, तथा लाख बहोसी पक्षी विहार एवं मकरंदनगर में विनोद दीक्षित अस्पताल का निर्माण इत्यादि शामिल हैं। 

संसद सदस्य के कार्यकाल में, इन्होंने लोक सभा की एस्टीमेट्स समिति के साथ कार्य किया, और भारत की स्वतंत्रता के चालीसवें वर्ष और जवाहरलाल नेहरू शताब्दी के कार्यान्वयन के लिए कार्यान्वयन समिति की अध्यक्षता भी की। उन्होंने पांच साल (१९८४-१९८९) के लिए महिलाओं की स्थिति पर संयुक्त राष्ट्र आयोग में भारत का प्रतिनिधित्व किया। इसके अतिरिक्त १९८६-१९८९ के दौरान वे तत्कालीन राजीव गांधी मंत्रिपरिषद का हिस्सा भी रहीं - उन्होंने पहले संसदीय मामलों की राज्य मंत्री और बाद में प्रधानमंत्री कार्यालय में राज्य मंत्री के रूप में कार्य किया।

१९८९ में हुए आम चुनावों में दीक्षित को अब जनता पार्टी के प्रत्याशी छोटे लाल यादव के हाथों ५३,८३३ मतों से हार का सामना करना पड़ा था। तत्प्श्चात, अगस्त १९९० में, दीक्षित और उनके ८२ सहयोगियों को उत्तर प्रदेश में २३ दिनों के लिए राज्य सरकार द्वारा जेल में डाल दिया गया, जब उन्होंने महिलाओं पर हो रहे अत्याचारों के खिलाफ एक आंदोलन का नेतृत्व किया। १९९८ में दीक्षित को दिल्ली प्रदेश कांग्रेस समिति का अध्यक्ष बनाया गया था। उसी वर्ष हुए आम चुनावों में, उन्होंने पूर्वी दिल्ली लोकसभा निर्वाचन क्षेत्र से एक बार फिर चुनाव लड़ा, जिसमें उन्हें भारतीय जनता पार्टी के लाल बिहारी तिवारी के हाथों ४५,३६२ मतों से पराजय का सामना करना पड़ा था।

आम चुनावों में हार के बाद, दीक्षित ने १९९८ में दिल्ली के विधान सभा चुनावों की ओर रुख किया, और गोल मार्किट निर्वाचन क्षेत्र से चुनाव लड़ा, जहाँ उन्होंने भारतीय जनता पार्टी के प्रत्याशी, कीर्ति आज़ाद को ५,६६७ मतों से पराजित किया। कांग्रेस ने उस वर्ष दिल्ली में ७० में से ५२ सीटें जीती थी, और तब शीला दीक्षित ने मदन लाल खुराना की उत्तराधिकारी के रूप में दिल्ली की छठी मुख्यमंत्री के रूप में शपथ ली। सुषमा स्वराज के बाद वह दिल्ली की दूसरी महिला मुख्यमंत्री थी। २००३ के विधानसभा चुनावों में भी दीक्षित ने गोल बाजार विधानसभा क्षेत्र का प्रतिनिधित्व किया, और भाजपा प्रत्याशी, पूनम आज़ाद को १२,९३५ मतों से पराजित कर दिल्ली की मुख्यमंत्री के रूप में अपना कार्यकाल जारी रखा।

२००८ के दिल्ली विधानसभा चुनावों में दीक्षित ने नई दिल्ली विधानसभा क्षेत्र से चुनाव लड़ा, और भारतीय जनता पार्टी के प्रत्याशी, विजय जौली को १३,९८२ मतों से पराजित किया। इन चुनावों में दीक्षित के नेतृत्व में कांग्रेस ने दिल्ली की ७० में से ४३ सीटें जीती, और इस बदौलत दीक्षित लगातार तीसरी बार दिल्ली की मुख्यमंत्री बनी। २०१३ के दिल्ली विधान सभा चुनाव में उनकी पार्टी का सफाया हो गया और आम आदमी पार्टी के संस्थापक अरविंद केजरीवाल ने नई दिल्ली विधानसभा क्षेत्र में २५,८६४ मतों के अंतर से चुनाव जीता। उन्होंने ८ दिसंबर २०१३ को मुख्यमंत्री पद से त्यागपत्र दे दिया, लेकिन २८ दिसंबर २०१३ को नई सरकार के शपथ ग्रहण तक दिल्ली की कार्यवाहक मुख्यमंत्री बनी रही।

मार्च २०१४ में केरल के राज्‍यपाल श्री निखिल कुमार के त्‍यागपत्र देने के पश्चात दीक्षित को केरल के राज्यपाल के रूप में नियुक्त किया गया था, लेकिन पांच महीने बाद २५ अगस्त को ही उन्होंने इस पद से त्यागपत्र दे दिया। २०१७ के उत्तरप्रदेश विधानसभा चुनाव में पहले दीक्षित को कांगेस पार्टी की ओर से मुख्यमंत्री पद की उम्मीदवार के तौर पर घोषित किया गया था, परन्तु बाद में कांग्रेस तथा समाजवादी पार्टी के गठबंधन के बाद उन्होंने अपना नाम वापस ले लिया। इसके पश्चात १० जनवरी २०१९ को उन्हें पुनः दिल्ली प्रदेश कांग्रेस समिति की अध्यक्ष घोषित किया गया। २०१९ के आम चुनावों में उन्होंने दिल्ली के उत्तर पूर्वी दिल्ली लोकसभा निर्वाचन क्षेत्र से चुनाव लड़ा, जिसमें उन्हें भाजपा प्रत्याशी मनोज तिवारी के हाथों ३.६६ लाख मतों से पराजय का सामना करना पड़ा।

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