Antara 2012 dan 2013, dia menjadi koordinator penyuluhan gizi anak di Minnesota Department of Education.
Pada 2013, Ilhan mengelola kampanye Andrew Johnson untuk Dewan Kota Minneapolis. Setelah Johnson terpilih, dia menjabat sebagai Senior Policy Aide untuk Johnson dari 2013 hingga 2015.
Hingga September 2015, Omar menjabat sebagai Direktur Kebijakan dan Inisiatif Organisasi Jaringan Perempuan. Asosiasi ini mengadvokasi perempuan dari Afrika Timur untuk mengambil peran kepemimpinan sipil dan politik.
Pada November 2016, Ilhan memenangkan pemilihan umum dan menjadi legislator Somalia-Amerika pertama di AS. Masa jabatannya dimulai pada 3 Januari 2017.
Pada 5 Juni 2018, Omar mencalonkan diri sebagai anggota Kongres dan terpilih untuk mewakili kursi Demokrat. Dia dan mantan wakil dari Michigan, Rashida Tlaib, menjadi perempuan Muslim pertama yang terpilih di Dewan Perwakilan AS.