Pierre-Yves Bournazel débute son engagement politique aux côtés de Françoise de Panafieu, dont il devient conseiller politique et l’un des porte-parole lors des élections municipales parisiennes de 2008, avant de rejoindre le cabinet de Rachida Dati, alors ministre de la Justice, en tant que conseiller presse.
Élu conseiller de Paris dans le 18ᵉ arrondissement en mars 2008, il est réélu en 2014 puis en 2020. En parallèle, il devient conseiller régional d’Île-de-France en 2010 sur la liste conduite par Valérie Pécresse, mandat qu’il exerce jusqu’en 2017. Il y est notamment chargé de la préparation des Jeux olympiques et paralympiques de Paris.
Au sein de l’UMP, il est nommé secrétaire national chargé des grandes métropoles et membre du bureau politique. Il s’engage ensuite aux côtés de Nathalie Kosciusko-Morizet lors des élections municipales parisiennes de 2014.
En juin 2017, Pierre-Yves Bournazel est élu député de la 18ᵉ circonscription de Paris. Durant la XVe législature, il siège à l’Assemblée nationale, où il devient vice-président de la commission des Affaires culturelles et de l’Éducation. Il est également rapporteur d’un rapport d’information consacré à l’évaluation de la lutte contre la contrefaçon et coporte, avec Christophe Blanchet, une proposition de loi visant à moderniser ce dispositif, adoptée à l’unanimité.
Après avoir été engagé au sein des Républicains, il rejoint Agir puis adhère en 2021 à Horizons, le parti fondé par Édouard Philippe, où il est chargé du suivi des élections. Réélu conseiller de Paris en 2020, il préside successivement les groupes « 100 % Paris » puis « Indépendants & Progressistes » au Conseil de Paris.
Candidat Horizons, soutenu par Renaissance, à l’élection municipale parisienne de 2026, Pierre-Yves Bournazel porte une vision centrée sur la transformation de la capitale, l’attractivité économique et la modernisation de l’action publique. À l’issue du premier tour, sa liste fusionne avec celle de Rachida Dati, avant son retrait de la campagne.