Jurist de formare, Dorin Chirtoacă s-a lansat în politică în 2005 din funcția de vicepreședinte al Partidului Liberal, condus de unchiul său, Mihai Ghimpu.

În 2007 este ales primar al municipiului Chișinău. Atunci, la ai săi 28 de ani, Dorin Chirtoacă a devenit cel mai tânăr primar de capitală. În 2011 a fost reales în funcția de primar, învingându-l în turul doi de scrutin pe socialistul Igor Dodon. Iar în scrutinul din 2015 câștigă cel de-al treilea mandat consecutiv, într-o confruntare directă, în turul doi, cu socialista Zinaida Greceanîi.

La 26 mai 2017, Chirtoacă a fost arestat, fiind bănuit de trafic de influență în "dosarul parcărilor cu plată", dosar în care mai figurau alte șapte persoane, printre care angajați ai primăriei Chișinău, dar și omul de afaceri Alexandru Pincevschi.

În iulie 2017 este suspendat din funcție. Peste aproape un an, mai exact pe 16 februarie 2018, Chirtoacă își dă demisia din funcția de primar al capitalei.

În data de 1 decembrie 2018 a fost ales în funcția de președinte al Partidului Liberal.

La parlamentarele din februarie 2019 Chirtoacă s-a lansat în cursa pentru funcția de deputat pe Circumscripția nr. 32 - Chișinău, care include și satul său de baștină - Colonița, dar s-a clasat abia pe locul patru din totalul celor șase candidați.

La alegerile locale generale din 20 octombrie 2019, Dorin Chirtoacă s-a înscris într-o nouă cursă pentru fotoliul de primar general al mun. Chișinău, fiind unul din cei 19 candidați la șefia capitalei înregistrați de Comisia Electorală Centrală.

Nu stă deoparte nici de scrutinul din 1 noiembrie 2020, unde este desemnat candidat al Blocului electoral UNIREA, fiind unul dintre cei opt candidați la funcția de președinte al Republicii Moldova. În primul tur de scrutin obține 1,2% din voturi.