W wyborach parlamentarnych w 2005 z listy Platformy Obywatelskiej został wybrany na posła V kadencji w okręgu konińskim. W wyborach parlamentarnych w 2007 po raz drugi uzyskał mandat poselski, otrzymując 28 279 głosów. W wyborach w 2011 z powodzeniem ubiegał się o reelekcję, dostał 24 346 głosów. W 2015 został ponownie wybrany do Sejmu, otrzymując 11 820 głosów. W wyborach w 2019 i 2023 również uzyskiwał mandat poselski, kandydując z ramienia Koalicji Obywatelskiej i zdobywając odpowiednio 23 693 głosy oraz 15 495 głosów. W IX i X kadencji Sejmu obejmował funkcję wiceprzewodniczącego Komisji do Spraw Energii i Skarbu Państwa. W X kadencji został także wiceprzewodniczącym klubu KO. W 2025, w wyniku przekształcenia PO, został działaczem partii KO. Pozostał na czele konińskich struktur partyjnych.
Według dokumentów archiwalnych Tomasz Nowak w 1989 został zarejestrowany jako kontakt operacyjny SB pod pseudonimem „Aktor”. Po ujawnieniu tych informacji przez Instytut Pamięci Narodowej polityk, który zaprzeczył współpracy, wystąpił o autolustrację. W 2009 Sąd Okręgowy w Poznaniu uznał oświadczenie lustracyjne posła jako prawdziwe, uznał równocześnie, iż rejestracja ta odbyła się jednak bez jego wiedzy i zgody.