Im Oktober 2013, nur rund ein halbes Jahr nach Gründung der Partei, trat Alice Weidel in die sogenannte Alternative für Deutschland ein und wurde zwei Jahre später in den Bundesvorstand der Partei gewählt. Bei den Landtagswahlen in Baden-Württemberg kandidierte sie 2016 erfolglos um einen Platz im Landtag.
2017 scheiterte die Politikerin bei der Wahl zur Landesvorsitzenden, obwohl sie zuvor als Favoritin gehandelt worden war. Rückblickend sagte Weidel, dass ein Teil der Partei gegen sie mobil gemacht habe, weil sie mit ihrer lesbischen Beziehung nicht „das konservative Familienbild“ repräsentiere.
Dennoch wurde die Politikerin 2017 mit Alexander Gauland als Spitzenkandidatin für die Bundestagswahl aufgestellt, bei der die AfD mit 12,6 Prozent der Zweitstimmen ihr bisher bestes Ergebnis auf Bundesebene erreichte. Bei der Wahl zog Weidel über die Landesliste in den Bundestag ein.
Dort wurde sie Fraktionsvorsitzende – zunächst mit Gauland, später mit Tino Chrupalla. 2019 wurde Weidel zunächst zur stellvertretenden, 2022 schließlich zur Bundesvorsitzenden der AfD, in der Partei Bundessprecherin genannt, gewählt. Den Posten teilt sie sich mit Chrupalla. 2021 ging sie bei der Bundestagswahl erneut als Spitzenkandidatin für die AfD ins Rennen.