Mitte 2009 trat er in die Piratenpartei ein und war dort unter anderem Richter im Schiedsgericht seines Landesverbandes. Gemeinsam mit anderen Parteimitgliedern war er an der bundesweiten Einführung der Software LiquidFeedback zur parteiinternen Meinungsbildung beteiligt; diese Software administrierte er für die Partei auf Bundesebene.
Bei der Wahl am 18. September 2011 wurde Martin Delius, der auf Platz 4 der Landesliste der Piratenpartei Berlin stand, in das Abgeordnetenhaus von Berlin gewählt. Parallel kandidierte er auch als Direktkandidat im Wahlkreis Pankow 3 und für die Bezirksverordnetenversammlung im Bezirk Mitte von Berlin. Da eine parallele Ausübung von Abgeordnetenhausmandat und BVV-Mandat rechtlich nicht möglich ist, verzichtete er auf letzteres.
Am 22. April 2012 geriet Delius wegen eines Vergleichs über den Erfolg der Piratenpartei mit dem rasanten Aufstieg der NSDAP zwischen 1928 und 1933 in die Kritik.[9] Er entschuldigte sich daraufhin in seinem Blog für die Äußerung[10] und zog seine Kandidatur für den Bundesvorstand der Piratenpartei zurück.[11]
Im Oktober 2012 setzte das Abgeordnetenhaus auf Verlangen der Oppositionsfraktionen einen Untersuchungsausschuss zu den Verzögerungen bei der Inbetriebnahme des neuen Flughafens Berlin Brandenburg ein.[12][13] Nach dem Rotationsprinzip stand der Piratenfraktion der Ausschussvorsitz zu. Delius, bereits im Vorhinein als Vorsitzender nominiert, gab am 20. Juni 2012 seinen Posten als Parlamentarischer Geschäftsführer der Fraktion auf[14][15] und wurde am 19. Oktober 2012 zum Vorsitzenden des Untersuchungsausschusses gewählt.[16] Sein Nachfolger als Geschäftsführer wurde am 22. Juni 2012 Heiko Herberg.[17]
Am 24. Januar 2014 legte Delius der Öffentlichkeit einen gemeinsam mit Benedict Ugarte Chacón verfassten Zwischenbericht zum Untersuchungsausschuss BER vor.[18] Am 20. Mai 2014 wählte die Piratenfraktion im Abgeordnetenhaus Martin Delius gemeinsam mit Alexander Spies zu ihrem Vorsitzenden.[19] Am 14. Dezember 2015 gab er seinen Austritt aus der Piratenpartei bekannt.[20] Zusammen mit anderen ehemaligen Parteimitgliedern kündigte Delius am 21. Januar 2016 an, künftig die Partei Die Linke zu unterstützen.[21] Am 8. September 2016 trat er der Linkspartei bei.[22] Bei der Wahl zum Abgeordnetenhaus von Berlin 2016 trat er nicht wieder an.
Seit 2017 war Delius als Vertreter der Linken im Referat Regierungsplanung bei der Senatskanzlei tätig, das die gemeinsame Regierungshandlung der rot-rot-grünen Koalition planen und koordinieren sollte.[23]
↑Martin Delius: Martin Delius – Über. In: martindelius.de. Archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 4. Mai 2012; abgerufen am 24. April 2012.Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/martindelius.de
↑Martin Delius: Ja ich habe das wirklich gesagt … Ein Fehler. Martin Delius, Mitglied des Abgeordnetenhauses von Berlin, 22. April 2012, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 23. April 2012; abgerufen am 24. April 2012.Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/martindelius.de