Em 2010, atendendo aos apelos de lideranças eclesiásticas e de movimentos sindicais, Roberto de Lucena candidatou-se a uma vaga na Câmara dos Deputados, tendo sido eleito com a 3º maior votação do Partido Verde em São Paulo, em mais de 430 municípios do Estado.

Durante o seu primeiro mandato (54ª Legislatura – de 2011 a 2014), foi vice-líder da Bancada Verde e do bloco PV/PPS na Câmara Federal e vice-presidente da Frente Parlamentar Evangélica no Congresso Nacional. Ocupou como membro titular a Comissão de Relações Exteriores e de Defesa Nacional (CREDN); a Comissão Especial “Igualdade de Direitos Trabalhistas” (PEC 478/10); a Comissão Especial da PEC 070/11 que altera o procedimento de apreciação das Medidas Provisórias; a Comissão Especial “Aposentadoria para garimpeiro” (PEC 405/09); a Comissão Especial sobre o PL 3538/12 que cria a empresa pública Amazônia Azul (Amazul) de Tecnologias.

 Além dessas, também foi titular da Comissão Especial sobre o PL 6170/13 que regulamenta o Marketing Multinível; da Comissão Externa sobre a Reserva Suiá-Missú; da Comissão Externa sobre a Tragédia em Santa Maria/RS; e da Comissão Externa sobre os maus tratos de animais no laboratório Royal/SP. Participou ainda da CPI (Comissão Parlamentar de Inquérito) do Trabalho Escravo e da CPI do Tráfico de Pessoas no Brasil.

 Foi membro titular da Comissão de Relações Exteriores da Câmara dos Deputados, suplente da Comissão de Seguridade Social e Família (CSSF), da Comissão de Direitos Humanos e Minorias (CDHM) e da Comissão Especial sobre o PL 3555/04 que trata das normas gerais contrato seguro privado. Em 2011, foi presidente da Frente Parlamentar Mista de Combate ao Bullying e Outras Formas de Violência e, em 2013, fundou e presidiu a Frente Parlamentar da Luta Contra a Endometriose. Foi a voz do povo de Santo Amaro da Purificação, na Bahia, no pior e maior caso de contaminação por cádmio e chumbo do Brasil. O entusiasmo com que representava os cidadãos paulistas mereceu elogios dos mais variados setores da sociedade.

 Continuando a ascendente trajetória política, em 2014, Roberto de Lucena foi reeleito, sendo votado em mais de 70% dos municípios de todo o estado de São Paulo. Em 2015, licenciou-se do mandato de deputado federal para exercer o cargo de Secretário de Estado de Turismo de São Paulo. Reassumiu o mandato na Câmara dos Deputados em 5 de abril de 2016.

 Em seu retorno, Roberto de Lucena foi o primeiro parlamentar a ocupar a presidência da Comissão de Defesa dos Direitos da Pessoa Idosa (CIDOSO). Foi membro titular da Comissão de Trabalho, de Administração e Serviço Público (CTASP), da Comissão de Turismo (CTUR) e da Comissão Especial sobre a PEC 200/16 que trata da isenção de IPTU para Templos.

 Integrou ainda a Comissão de Defesa do Consumidor (CDC), da Comissão de Ciência e Tecnologia, Comunicação e Informática (CCTCI) e a Comissão de Relações Exteriores e de Defesa Nacional (CREDN). Desde o primeiro mandato até hoje, é membro e dirigente da Frente Parlamentar Mista de Combate à Corrupção. Roberto de Lucena é membro da Coalizão Internacional de Parlamentares pela Liberdade Religiosa no Mundo.

  A Revista Exame e o Jornal Folha de São Paulo destacaram sua atuação no Congresso ao publicarem, em outubro de 2014, ranking no qual Roberto de Lucena figurou como o 5º deputado mais atuante do país e o mais atuante e produtivo de São Paulo. A Revista Veja também reconheceu que Lucena é um dos parlamentares que mais contribuem na construção de um Brasil melhor, entre os 40 de 513 deputados federais. Lucena tem uma intensa atividade legislativa no Congresso Nacional.

Em 2018, presidiu a Comissão de Fiscalização Financeira e Controle (CFFC) da Câmara, que tem como prerrogativa de fiscalizar e realizar visitas técnicas, audiências públicas e apresentar e aprovar o Plano Anual de Fiscalização Financeira.

 Reeleito em outubro de 2018 para o terceiro mandato, Roberto de Lucena assumiu novo desafio já no início da legislatura: comandar a Secretaria de Transparência da Câmara dos Deputados.

 Foi designado em maio de 2019 membro da Representação Brasileira no Parlamento do Mercosul – o PARLASUL.  Se tornou o Presidente da Frente Parlamentar da Liberdade Religiosa, Refugiados e Ajuda Humanitária.