В апреле 1990 года на первых выборах, проводившихся на альтернативной основе, получил поддержку неформальной организации «Демократические выборы-90» и был избран депутатом Ленинградского городского Совета.
В Ленсовете был заместителем председателя постоянной комиссии по экологии, затем председателем постоянной комиссии по градостроительной политике и землепользованию. Выступал в качестве до кладчика при принятии решений Ленсовета об учреждении первых в Ленинграде особо охраняемых природных территорий (Юнтоловский заказник, памятники природы Комаровский берег, Стрельнинский берег, Дудергофские высоты), организовал конкурс на лучшую концепцию нового Генерального плана города. Как депутат Ленсовета поддержал инициативы об учреждении должности главы города, избираемого на выборах жителями города, о возвращении городу его исторического имени – Санкт-Петербург. В августе 1991 года активно выступал против ГКЧП, в сентябре-октябре 1993 года – против указа Президента Б. Н. Ельцина о прекращении деятельности Верховного Совета РСФСР. Полномочия депутата были прекращены в связи с указом Президента Б. Н. Ельцина о роспуске Ленсовета.
1994-1998 годы — депутат Законодательного Собрания Санкт-Петербурга I созыва.
1998-2002 годы — депутат Законодательного Собрания Санкт-Петербурга II созыва.
2002-2007 годы — Депутат Законодательного Собрания Санкт-Петербурга III созыва.
2003-2007 годы — председатель постоянной комиссии по городскому хозяйству, градостроительству и земельным вопросам.
Участвовал в разработке проекта Устава Санкт-Петербурга, проекта Закона Санкт-Петербурга о Генеральном плане города. По инициативе М.И. Амосова разработаны Законы о градостроительной деятельности в Петербурге, о порядке проведения общественных слушаний по градостроительным проектам, о зелёных насаждениях общего пользования и др. Как депутат городского парламента помогал в подготовке учредительных документов Ассоциации ТСЖ и ЖСК Санкт-Петербурга (1995 год), в подготовке съездов ТСЖ и ЖСК Санкт-Петербурга. В качестве представителя Законодательного собрания участвовал в конкурсной комиссии по выбору лучшего проекта нового стадиона на Крестовскоострове (сейчас – «Газпром Арена»).
В 2011 году баллотировался в Законодательное собрание Санкт-Петербурга по списку партии»ЯБЛОКО», но избран не был.
2004-2018 годы член Федерального политкомитета партии «ЯБЛОКО».
В 2018 году в связи с острыми разногласиями с Г. Явлинским по вопросу организации работы партии и межпартийной коалиционной политики вышел из партии «ЯБЛОКО» вместе с большой группой сторонников. Вместе с ними создал новую политическую организацию – Санкт-Петербургское «Движение демократического обновления» (ДДО). В 2019 году в органы местного самоуправления Санкт-Петербурга были избраны 10 представителей ДДО (выдвигались от партии «Справедливая Россия»).
В мае 2021 года ДДО и партия «Справедливая Россия – За Правду» заключили предвыборное соглашение, в соответствии с которым Михаил Амосов был выдвинут кандидатом в депутаты Законодательного собрания Санкт-Петербурга, а также участвовал в подготовке предвыборной программы партии.
В 2003 и 2019 годах баллотировался на пост Губернатора Санкт-Петербурга. За кандидатуру М.И. Амосова проголосовали 76 тыс. (7,6%) и 182 тыс. (16%) избирателей соответственно.