V roku 1971 nastúpil do telovýchovného podniku Sportpropag, kde vybudoval oddelenie komplexného modelovania, označované ako „Slušovice výskumu“. V roku 1984 Ústredný výbor KSČ toto oddelenie zrušil, údajne pre protistranícky zborník Metodologické problémy spoločenského výskumu.
V tom istom roku prešiel do poľnohospodárskeho podniku Agrodat, kde sa zaoberal simulačnými modelmi poľnohospodárskych systémov. Pracoval v ňom do septembra 1989, keď opäť prepustili zo zamestnania, tento raz za publikovanie článku Prognostika a prestavba. Počas pôsobenia v podniku Agrodat sa stal v roku 1986 členom Svetovej prognostickej spoločnosti.
Prvotný neúspech
V novembri 1989 sa Miloš Zeman aktívne zúčastňoval na demonštráciách v Prahe, vystupoval na besedách v divadlách i vysokých školách. Po Nežnej revolúcii pracoval v rokoch 1990 – 1993 ako vedecký pracovník v Prognostickom ústave Československej akadémie vied (ČSAV).
Začiatkom roku 1990 ho Občianske fórum (OF) kooptovalo do Federálneho zhromaždenia (FZ), v júni toho istého roku mandát poslanca obhájil. Po rozpade OF kandidoval v roku 1992 v parlamentných voľbách do FZ za Českú stranu sociálno-demokratickú (ČSSD) a opäť získal mandát poslanca.
Vo februári 1993 sa stal predsedom ČSSD, ktorým bol až do apríla 2001. Pod jeho vedením sa sociálni demokrati stali najsilnejším politickým subjektom v Českej republike. Po parlamentných voľbách v roku 1996 zastával do roku 1998 funkciu predsedu Poslaneckej snemovne Parlamentu ČR. V júli 1998 zasadol do kresla predsedu vlády, tento post zastával do júla 2002.
Koncom roka 2002 ho ČSSD vyzvala, aby v roku 2003 kandidoval na funkciu prezidenta ČR. Neúspešný bol však už v prvom kole tajnej voľby, pretože ho nevolilo ani 27 poslancov vlastnej strany. Po tomto neúspechu sa stiahol z politiky a odišiel do starobného dôchodku. ČSSD podporoval aj v ďalších rokoch, ale pre vnútrostranícke problémy zo strany v marci 2007 napokon vystúpil.
Tolerantný ateista
Stranu Práv Občanov (SPO) založil v decembri 2009 a na zjazde, ktorý sa konal v marci 2010, sa stal jej predsedom. V májových parlamentných voľbách v roku 2010 sa však SPO neprebojovala do parlamentu (získala 4,3 percenta) a pretože nesplnil volebný cieľ, ktorým bolo prekročenie päť percentnej hranice, na funkciu predsedu rezignoval.
O dva roky neskôr, v júni 2012, Miloš Zeman oznámil, že s podporou SPO bude kandidovať v prezidentských voľbách. Podarilo sa mu vyzbierať 50.000 podpisov potrebných na kandidatúru. V historicky prvej priamej voľbe hlavy štátu získal v januári 2013 v druhom kole 54,8 percenta hlasov a stal sa v poradí tretím prezidentom Českej republiky. Prezidentský sľub zložil 8. marca 2013.
V januári 2018 svoj post obhájil, keď v druhom kole získal 51,36 percent hlasov. Ústavou predpísaný sľub zložil 8. marca 2018. V úrade zotrval do 8. marca 2023, keď sa s Pražským hradom rozlúčil posledný prezident, priamo spojený s udalosťami Nežnej revolúcie. V poradí štvrtou hlavou Českej republiky sa stal 9. marca 2023 Petr Pavel.
Miloš Zeman sám seba označuje za ľavicového politika a tolerantného ateistu. V posledných rokoch ho sprevádzajú zdravotné problémy. Viackrát bol hospitalizovaný, naposledy v marci 2024. Dlhodobo trpí neuropatiou dolných končatín a cukrovkou, preto sa pohybuje na invalidnom vozíku.
Je autorom nielen mnohých svojráznych výrokov a bonmotov, ale aj viacerých kníh medzi nimi napríklad Naše posttotalitní krize a její možná východiska (1991), Zpověď bývalého prognostika (1995), Jak jsem se mýlil v politice (2005), Vzestup a pád české sociální demokracie (2006), Zpověď informovaného optimisty (2012) alebo Moje Vysočina pohledem Miloše Zemana (2016).
Miloš Zeman je druhýkrát ženatý. Z prvého manželstva má syna Davida (1971). Druhýkrát sa oženil v roku 1993 so svojou asistentkou Ivanou Bednarčíkovou, ktorá má slovenský pôvod. Spolu majú dcéru Katarínu (1994).
