Martine Aurillac est élue au Conseil de Paris en 1983. Elle devient délégué à l’affichage et à la publicité jusqu’en 1995. De 1983 à 1995, elle est 1re adjointe au maire du 7e arrondissement, Édouard Frédéric-Dupont. En 1993, elle est candidate suppléante de Michel Roussin aux élections législatives dans la 3e circonscription de Paris, comprenant le 7e arrondissement et la moitié nord du 6e. Nommé au poste de ministre de la Coopération au sein du gouvernement d'Édouard Balladur, Michel Roussin laisse son siège de député à sa suppléante, Martine Aurillac, qui siège alors au Palais Bourbon sous la Xe législature.
Elle est élue maire du 7e arrondissement de Paris par le conseil d'arrondissement, à la mort de son prédécesseur, Édouard Frédéric-Dupont, en février 1995, par onze voix et un bulletin blanc. Elle est confirmée à ce poste par les électeurs de l'arrondissement en juin 1995.
En 1997, elle est élue députée de la 3e circonscription de Paris, au second tour avec 70,96 % des suffrages, face à la candidate socialiste, l'avocate Anne Kalch. Son suppléant est Jean-Pierre Lecoq, maire du 6e arrondissement. En mars 2001, lors des élections municipales, elle est à la tête d'une liste RPR-UDF-DL qui obtient lors du premier tour 42,94 % des suffrages contre 21,21 % à Jean-Philippe Hubin (candidat divers droite de la liste de Jean Tiberi), 19,64 % à la candidate socialiste Anne Kalck et 8,04 % à la candidate verteMaggie Cazal.
Au second tour, dans le cadre d'une triangulaire avec la liste de Jean-Philippe Hubin et la liste d'Anne Kalck, elle arrive en tête des suffrages avec 46,64 % des voix contre 27 % à la liste menée par Mme Kalk et 26,34 % à la liste de M. Hubin. Elle est réélue maire de l'arrondissement. Martine Aurillac est réélue députée le , pour la XIIe législature (2002-2007), dans la même circonscription avec 70 % des voix contre 17,92 % à la candidate socialiste, Marie-Claire Champoux.
Elle démissionne alors de son poste de maire auquel lui succède Michel Dumont.
Membre du groupe UMP à l'Assemblée nationale, elle est réélue députée au premier tour des législatives de juin 2007 avec 59 % des voix contre 16,9 % à la candidate socialiste Laurence Girard et 11 % à la candidate du MoDem, Linda Capoano.
