יושב-ראש הסתדרות הסטודנטים
בשנת 2005 שב לישראל והחל בלימודי תואר ראשון בחינוך מיוחד במכללת אורנים. בשנים 2007-2005 שימש בהתנדבות כמדריך חברתי במחלקה לקידום נוער בעיריית חיפה, בשנים 2008-2007 שימש מורה ומחנך בכיתת חינוך מיוחד בבית הספר היסודי קדימה בקריות.
במהלך לימודיו במכללת אורנים החל שמולי בפעילות במסגרת אגודת הסטודנטים במכללה. בתום שנת לימודיו הראשונה נבחר לתפקיד יושב-ראש אגודת הסטודנטים במכללת אורנים. במהלך 2006 החל בפעילות במסגרת הנהגת הסטודנטים במישור הארצי ומונה לתפקיד מזכ"ל התאחדות הסטודנטים. בשנת 2008 נבחר לתפקיד סגן יושב-ראש התאחדות הסטודנטים, בתפקיד זה קידם ועסק באיחוד ארגון הסטודנטים בישראל והתאחדות הסטודנטים לכדי גוף אחד – התאחדות הסטודנטים.
בשנת 2010 נבחר שמולי לתפקיד יושב-ראש הסתדרות הסטודנטים. מתוקף תפקידו היה לחבר במועצה להשכלה גבוהה וכן שימש כחבר דירקטוריון בחברת איסתא ליינס (נמצאת בבעלות חלקית של התאחדות הסטודנטים). כיושב-ראש התאחדות הסטודנטים הוביל שמולי את הארגון למעורבות במאבקים ציבוריים בנושאים חברתיים שונים: מאבק להגדלת תמלוגי המדינה מקידוחי הגז, מאבק העובדים הסוציאליים למען שיפור תנאי העסקתם, מאבק נגד גירוש ילדי עובדים זרים, מעבר למען העסקה ישירה של עובדי קבלן במוסדות אקדמיים ועוד. פעילויות אלה התקבלו לא פעם בביקורת על-ידי פעילים באגודות הסטודנטים, אשר טענו כי תפקידה העיקרי של התאחדות הסטודנטים הוא לייצג את ציבור הסטודנטים מול מוסדות האקדמיה ורשויות המדינה ולפעול לטובתם בנושאים כגון גובה שכר לימוד, פתרונות דיור וכדומה.
בקיץ 2011, עם התפתחות אירועי המחאה החברתית, עשה שמולי שימוש במשאבי התאחדות הסטודנטים על-מנת לתמוך במחאה ומטרותיה, וקרא לציבור הסטודנטים להצטרף למחאה. נמנה על הנואמיםי בכמה מההפגנות הגדולות שנערכו בככרות הערים והרבה לסייר במאחזי האוהלים שהוקמו ברחבי המדינה. בהקשר זה יש לציין כי שמולי לא נמנה עם קבוצת הצעירים (ובה דפני ליף, סתיו שפיר ואחרים) אשר החלה במחאת האוהלים בשדרות רוטשילד בתל אביב, ובינו ובין כמה מחברי הקבוצה התגלעו חילוקי דעות לגבי אופן ניהול המחאה ומטרותיה.
ב-4 בספטמבר 2011 החליט שמולי על פרישת התאחדות הסטודנטים ממחאת האוהלים וקרא לניהול מו"מ עם נציגי הממשלה, בין היתר במסגרת דיוני ועדת טרכטנברג. על-אף שלא נמנה על יוזמי המחאה, בזיכרון הציבורי בישראל זכה שמולי להערכה כאחד ממנהיגיה ומוביליה. סביב מעורבותו באירועי המחאה נשמעה שוב ביקורת מצד נציגי סטודנטים, אשר טענו כי שמולי עושה שימוש במעמדו כיושב-ראש התאחדות הסטודנטים על-מנת לבנות את מעמדו הציבורי לקראת קריירה פוליטית.
בנובמבר 2011 הודיע שמולי על העתקת מגוריו לעיר לוד, זאת כחלק ממיזם חברתי במסגרתו קיבלו סטודנטים מגורים מסובסדים בעיר ועסקו בפעילות חברתית.
חבר כנסת
ביולי 2012 התפטר שמולי מתפקידיו בהתאחדות הסטודנטים. מספר חודשים לאחר מכן התמודד בבחירות המקדימות במפלגת העבודה על מקום ברשימת המפלגה לכנסת ה-19. שובץ במקום ה-11 ברשימת מפלגת העבודה ולאחר הבחירות שנערכו בשנת 2013, הושבע כחבר כנסת בסיעת מפלגת העבודה. בכנסת ה-19 כיהן כחבר בוועדת הכלכלה.
שמולי בעל נטייה מינית הומוסקסואלית. עם כניסתו לחיים הפוליטיים בחר להצניע עובדה זו, על-אף שלפני כן נטייתו המינית הייתה גלויה וידועה. בחירה זו עוררה נגדו ביקורת מצד פעילים בקהילה הלהט"בית, דוגמת העיתונאי גל אוחובסקי אשר פרסם בעניין טור דעה (בו נמנע מלנקוב בשמו של שמולי). לאחר אירוע הדקירה במצעד הגאווה שנערך בירושלים ביולי 2015 (בו נרצחה הנערה שירה בנקי) פרסם שמולי טור אישי בעיתון ידיעות אחרונות בו הצהיר בפומבי על נטייתו המינית.
בבחירות המקדימות שנערכו במפלגת העבודה לקראת הבחירות לכנסת ה-20 נבחר שמולי למקום השלישי, הישג זה הקנה לו את המקום החמישי ברשימת "
המחנה הציוני" לכנסת. בכנסת ה-20 מכהן שמולי כחבר במספר ועדות: ועדת החינוך, התרבות והספורט, ועדת העבודה, הרווחה והבריאות, ועדת משנה לעניין מעמד הקשיש, ועדת משנה לטיפול בצעירים וצעירות חסרי בית, וועדת משנה לתקנות חוק שוויון זכויות לאנשים עם מוגבלות. כמו-כן משמש כיושב-ראש ועדת משנה לצער בעלי חיים.
כמחוקק מרבה שמולי לעסוק בסוגיות חברתיות והיה שותף להעברתם של חוקים בנושאי: זכויות נכים, שוויון זכויות מגדרי, שוויון זכויות לקהילה הלהט"בית, זכויות עובדים וכן סוגיות בתחום הגנת הצרכן. כמו-כן היה פעיל במספר מאבקים חברתיים, בין היתר סביב הנהגת חוק סיעוד אשר יחזיר את תחום הטיפול הסיעודי לקשישים לידי המדינה.
