Ивелина Василева притежава богат опит от над 15 години в публичния сектор.
През 2007 г. тя става заместник-кмет на Община Бургас, където отговаря за екологичната политика и политиките на ЕС на местно ниво. След това заема длъжността заместник-министър на околната среда и водите и ръководител на националните делегации в Международната комисия за защита на река Дунав и Комисията за защита на Черно море от замърсяване.
В периода 2014–2017 г. е министър на околната среда и водите в правителството на България. По време на мандата си в министерството тя отговаря за разработването и изпълнението на националните политики в областта на опазването на околната среда и изменението на климата, мониторинга и контрола, както и на националните и донорски програми за финансиране в екологичната сфера.
Ивелина Василева е избирана четири пъти за народен представител в Народното събрание на България, а по време на мандата си от 2017 до 2021 г. е председател на Постоянната комисия по околна среда и води и заместник-председател на Комисията по европейски въпроси и контрол на европейските фондове.
В момента тя е член на Мисионния съвет на мисията „Възстановяване на нашите океани и води" на Европейската комисия и заместник-председател на Надзорния съвет на Българския ВиК холдинг.