En 1974, la présidence de la dictature militaire d'Augusto Pinochet met fin à sa carrière académique et lance la période des "disparus". Dans ce contexte, Bachelet a travaillé en tant que médecin dans un hôpital militaire, où elle a soigné de nombreux prisonniers politiques. Elle a ensuite été arrêtée elle-même et a passé plus de deux ans en prison sans être jugée pour une raison précise.
Après sa libération, Bachelet s'est engagée dans la lutte contre la dictature en travaillant comme coordinateur régional de l'Organisation du mouvement d'action populaire (MAPU), puis comme directeur de la division santé publique de la région métropolitaine de Santiago. Elle a également été membre fondatrice et dirigeante de la campagne présidentielle de Patricio Aylwin, élu en 1989.
Ayant rejoint le Parti socialiste en 1990, Bachelet a été élue députée à l'Assemblée constituante du Chili, qui a rédigé une nouvelle constitution pour le pays, instituant un système de gouvernement parlementaire et multi-partite. Elle a également été vice-ministre de la Santé publique (1994-1996) et ministre de l'Éducation du Chili (2000-2002), dans les gouvernements d'Eduardo Frei Ruiz-Tagle et Ricardo Lagos.
En 2006, elle a été élue présidente du Chili avec un taux de participation exceptionnellement élevé de 49 %. En tant que présidente, elle a mis en place des mesures pour améliorer l'égalité sociale, la santé et l'éducation du pays. Elle est également considérée comme une alliée clé dans la lutte contre la criminalité transnationale et les droits de l'homme.
En décembre 2018, Bachelet a été élue pour un deuxième mandat en tant que Haut-commissaire des Nations Unies aux droits de l'homme. Elle est la première femme à occuper ce poste et la première personne à en être réélue depuis sa création en 1994. Elle a commencé son second mandat le 1er septembre 2019.