В 2001 году Алексей занялся политикой. В том году он возглавил областное молодежное крыло Партии зеленых. В следующем году Гончаренко безуспешно баллотировался в городской совет. Но зато стал помощником депутата.

В 2005 году Алексей был назначен главой одесской партячейки партии «Союз». В том же году эта политсила влилась в Партию регионов. Уже через год Гончаренко со второй попытки избран в городской совет. 

Алексей — основатель и глава общественной организации «Качество жизни».

В 2010 году он был избран депутатом от Партии регионов в областной совет. Тогда же его назначили заместителем председателя главы облсовета. В 2010 году Алексей собирался баллотироваться на пост мэра Одессы от «регионалов». Однако позднее снял свою кандидатуру. Выборы тогда выиграл Алексей Костусев — отец Гончаренко.

В 2012 году он пробовал стать народным депутатом. На парламентских выборах Алексей шел от ПР по 133-му мажоритарному округу (Киевский район Одессы). Однако, набрав 20,46% (или 17 189) голосов, занял лишь второе место, уступив самовыдвиженцу Игорю Маркову (26,6% или 22 349).

Во время Евромайдана Алексей сменил политическую ориентацию и вышел из Партии регионов. Также он покинул пост замглавы облсовета. Перед незаконным референдумом в Крыму, Гончаренко вместе с Петром Порошенко посетил полуостров с призывами против аннексии.

На президентских выборах 2014 года он стал доверенным лицом Порошенко и руководил его предвыборным штабом в Одесской области. В августе того же года Алексея избрали главой областного совета. Однако в этой должности он провел лишь несколько месяцев. На внеочередных парламентских выборах он под 40-м номером в списке Блока Петра Порошенко избран народным депутатом.

В VIII созыве Верховной Рады Гончаренко стал заместителем фракции БПП и секретарем комитета по вопросам государственного строительства, региональной политики и местного самоуправления. Кроме того, Алексей был включен в состав украинской делегации на заседаниях Парламентской ассамблеи Совета Европы.

Гончаренко был сопредседателем группы по межпарламентским связям с Францией и членом групп по межпарламентским связям с Кубой, Великобританией, США, Китаем, Израилем и Данией.

За время каденции VIII созыва Верховной Рады он сделал 51 депутатский запрос, принял участие в создании 614 законопроектов и 79 раз выступил в парламенте. 

В 2019 году Гончаренко во второй раз стал парламентарием. На этот раз он победил на 137-м мажоритарном округе (территория Балтской городской объединенной территориальной общины, город Подольск, Балтский, Кодымский, Окнянский, Подольский, Савранский районы Одесской области).

За Алексея проголосовало 29,55% или 20 425 избирателей. Он опередил кандидата от партии «Слуга народа» Александра Муконина (24,45% или 16 903 голосов).

В IX созыве Верховной Рады Гончаренко стал членом фракции «Европейская солидарность» и бюджетного комитета. Алексей также член постоянной делегации в ПАСЕ. Он входит в группы по межпарламентским связям с Японией, Канадой, Китаем, Францией и Великобритании.

В октябре 2019 года Алексей стал инициатором и руководителем парламентского межфракционного объединения «Кубань». По словам нардепа, задача объединения — разработка политики по возврату в культурное и социальное поле украинских этнических территорий и этнических украинцев. 

Во время местных выборов 2020 года Гончаренко курировал избирательную кампанию «Европейской солидарности» в Одесской области. 

Алексей ведет передачу «Гончаренко рулит», которая с марта 2020 года выходит на YouTube «5 канала». Парламентарий занимает пост президента общественной организации «За качество жизни в Украине» и является членом правления общественной организации «Ви.мова».