W wyborach w 1973 po raz pierwszy uzyskał mandat posła do Zgromadzenia Narodowego. Z powodzeniem ubiegał się o reelekcję w 1978, 1981, 1986, 1988 i 1993. W niższej izbie francuskiego parlamentu zasiadał do 1997, kiedy to nie kandydował na kolejną kadencję. Przez kilka lat był też radnym regionu Île-de-France. W latach 1979–1989 sprawował mandat deputowanego do Parlamentu Europejskiego I oraz II kadencji. Podejmował współpracę z komunistami z Włoch i Hiszpanii. Spotkanie z 1977, w którym uczestniczyli także Enrico Berlinguer i Santiago Carrillo, stało się podstawą ukucia terminu eurokomunizm. Jednocześnie Georges Marchais nie dążył do zerwania ze Związkiem Socjalistycznych Republik Radzieckich, m.in. poparł wejście wojsk radzieckich do Afganistanu.
W 1981 wystartował w wyborach prezydenckich. W pierwszej turze otrzymał 15,4% głosów, zajmując czwarte miejsce. Wezwał następnie do poparcia François Mitterranda, a po jego wyborczym zwycięstwie komuniści dołączyli do francuskiego rządu, z którego odeszli w 1984. W późniejszych latach krytykowany przez przedstawicieli reformatorskiego skrzydła partii za konserwatyzm swojej polityki.