В 1959 году по окончании школы предпринял неудачную попытку поступить на Восточный факультет Среднеазиатского государственного университета в Ташкенте. Ему было отказано, так как "на этот факультет крымских татар не принимают".
В 1962-ом поступил на гидромелиоративный факультет Ташкентского ирригационного института, из которого был отчислен в 1965 году "за недостойное поведение", по обвинению в национализме и антисоветских взглядах.
В 1961 г. выступил одним из основателей, руководителем отделения Союза крымскотатарской молодежи в Ташкенте.
В мае 1966 года впервые осужден на полтора года лишения свободы за отказ служить в Советской армии по политическим мотивам, после чего Джемилева отправили в лагерь под Ташкентом. На протяжении 1966-1983 гг. был шесть (семь) раз арестован. Имеет семь судимостей, провел в заключении 15 лет за "распространение взглядов, порочащих советский строй".
В 1969 году стал одним из учредителей Инициативной группы защиты прав человека в Советском Союзе.
После завершения второго срока в 1972-1974 гг. проживал под гласным административным надзором в Гулистане, работая инженером в совхозе. Во время одного из судебных процессов в 1975-1976 гг. провел 303-дневную голодовку в Омской тюрьме (его кормили принудительно через зонд).
Во время отбывания очередного срока с марта 1979 года находился в Колыме в поселке Зирянка, работал на кислородной станции. К Джемилеву приехала его будущая жена Сафинар, там же родился общий сын. В феврале 1983 года был освобожден и вместе с женой и ребенком после почти 39-ти лет ссылки переехал в Крым и поселился у знакомых, живших в городе Саки. Однако через три дня они были выдворены с полуострова, их перевозили из города в город. После пикета крымских татар в поддержку Джемилева его отпустили, и он с семьей вернулся в Узбекистан в город Янгиюль под присмотром МВД. Там работал слесарем и разнорабочим.
В том же году основал и был редактором нелегального "Информационного бюллетеня инициативной группы крымских татар им. Мусы Мамута".
В 1986 году был окончательно освобожден,а в 1987-м переехал в Бахчисарай. С 1987 по 1989 гг. руководил Центральной инициативной группой национального движения крымских татар. В 1989-1991 гг. возглавлял Организацию крымскотатарского национального движения.
В июне 1991 года собрался Курултай крымскотатарского народа, на котором избран президиум этой организации - Меджлис крымскотатарского народа. Председателем Меджлиса был избран Джемилев, который занимал эту должность до ноября 2013 года.
С 1999-го - глава Совета представителей крымскотатарского народа.
Джемилев - лауреат учрежденной муниципалитетом г. Измира (Турция) ежегодной международной премии в области прав человека (1995).
В 1998 г. за правозащитную деятельность стал лауреатом ежегодной премии Верховного Комиссариата ООН по делам беженцев имени Ф.Нансена. Дважды выдвигался на соискание Нобелевской премии мира: в 2009 году его кандидатуру выдвинул Первый Всемирный конгресс крымских татар, в 2011 году – Общество защиты угнетенных народов.
В 2006 году стал депутатом Верховной Раду от «Нашей Украины» (№ 45 избирательного списка). На парламентских выборах 2007 года Джемилев избирался в парламент под номером 27 избирательного списка Блока «Наша Украина — Народная Самооборона». Был главой подкомитета по вопросам коренных народов, национальных меньшинств, этнических групп, депортированных народов и нацменьшинств комитета ВР по вопросам прав человека, нацменьшинств и межнациональных отношений.
На парламентских выборах 2012 года попал в парламент по списку ВО «Батькивщина» под № 12, где указан как беспартийный. Является членом комитета ВР по вопросам прав человека, национальных меньшинств и межнациональных отношений.
В 2014 году на досрочных выборах в Верховную Раду баллотировался по спискам Блока Петра Порошенко под №5. С ноября 2014 года народный депутат Верховной Рады Украины VIII созыва.
На досрочных парламентских выборах 2019 года избран народным депутатом Верховной Рады IX созыва от партии Европейская солидарность, № 6 в партийном списке.
Член Комитета Верховной Рады Украины по правам человека, деоккупации и реинтеграции временно оккупированных территорий в Донецкой, Луганской областях и Автономной Республики Крым, города Севастополя, национальных меньшинств и межнациональных отношений.
Член Постоянной делегации в Парламентской ассамблее Организации Черноморского экономического сотрудничества.
После аннексии Крыма Россией 22 апреля российские власти запретили ему въезд на территорию полуострова (и России в целом) до 2019 года. 2 мая его не пустили в Москву, а затем не пропустили и в Крым.
Против возвращения и, особенно, возможной деятельности экс-председателя меджлиса выступает руководитель нынешнего правительства Крыма Сергей Аксёнов.