W wyborach parlamentarnych w 2011 roku bezskutecznie kandydował jako bezpartyjny z ramienia Prawa i Sprawiedliwości do Senatu. W 2013 roku wstąpił do PiS, a w lutym 2014 roku został członkiem rady programowej tej partii. W 2015 roku wystartował w wyborach do Sejmu i uzyskał mandat posła.
W 2017 roku był autorem wniosku do Trybunału Konstytucyjnego o zbadanie zgodności z Konstytucją RP ustawy antyaborcyjnej w części dotyczącej aborcji ze względu na poważne wady płodu. Wniosek wygasł wraz z końcem kadencji, ale został ponownie złożony w grudniu 2019 roku. 22 października 2020 roku Trybunał orzekł, że przepis ten jest niezgodny z Konstytucją, doprowadzając do protestów kobiet w całej Polsce.
W wyborach parlamentarnych w 2019 roku Wróblewski ponownie zdobył mandat posła. We wrześniu 2020 roku został zawieszony przez Jarosława Kaczyńskiego w prawach członka PiS za niepodporządkowanie się partyjnej dyscyplinie w sprawie nowelizacji ustawy o ochronie zwierząt.
