Özlem Demirel war von 2000 bis 2004 Vorstandsmitglied der Landesschüler:innenvertretung NRW, bevor sie bis 2010 Mitglied des Rates der Stadt Köln wurde. Von 2010 bis 2012 war sie Landtagsabgeordnete, ab 2011 Parlamentarische Geschäftsführerin der Fraktion DIE LINKE in NRW. 2017 war Demirel Spitzenkandidatin der LINKEN zur Landtagswahl NRW. Seit 2019 ist sie Miglied des Europäischen Parlaments.