Élu conseiller régional d'Île-de-France en 1992 et conseiller municipal d'opposition à Palaiseau en 1995, François Lamy conquiert la 6e circonscription de l'Essonne au profit de la gauche en juin 1997. À la tête d'une liste de gauche plurielle et associative lors de l'élection municipale de mars 2001, il prend également la ville de Palaiseau à la droite, au premier tour. Il devient ensuite président de la Communauté d'agglomération du plateau de Saclay (CAPS) en 2002.

François Lamy est réélu le 16 juin 2002 pour la XIIe législature et le 17 juin 2007 pour la XIIIe législature avec 52,64 % des voix face à Véronique Carantois (UMP). Il est membre du groupe socialiste, radical et citoyen et de la commission de la défense de l'Assemblée nationale, et a fait partie des commissions d'enquête parlementaire sur le massacre de Srebrenica et sur le génocide au Rwanda. Suite à ce travail, François Lamy a écrit un rapport sur la nécessité d'un contrôle parlementaire sur les opérations extérieures de l'armée française. Depuis octobre 2007, il fait partie de la commission d'enquête parlementaire sur les conditions de la libération des infirmières bulgares où il s'intéresse aux accords de coopération militaire signés à cette occasion.

En parallèle, il prend de l'importance au sein de son parti : entré au bureau national en 2000, il est nommé successivement secrétaire national chargé des adhésions (2000-2005), de la vie associative (2005-2007), et des questions de Défense (depuis 2007). Il préside également le club Réformer, groupe de réflexion politique fondé par Martine Aubry, avec Marylise Lebranchu, Jean Le Garrec et Adeline Hazan. Bras droit de Martine Aubry, il la soutient pendant le congrès de Reims qui aboutit à l'élection de celle-ci au poste de Premier secrétaire du Parti socialiste. Il est ensuite nommé conseiller politique de Martine Aubry lors du Conseil national du PS le 6 décembre 2008.