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之後劉世芳到高雄發展,先是在2009年,負責高雄世界運動會的籌備工作;2010年他接任副市長,2014年高雄氣爆案,劉世芳也擔任現場指揮官,並負責氣爆後的復原工作。2015年劉世芳轉戰立委,挑戰過去一向被視為國民黨鐵票區的左營楠梓區,也順利勝選,是首度在該區勝選的民進黨立委。
但是到了2018年前夕,陳菊將卸任,劉世芳有意接棒,但在初選期間與陳其邁針鋒相對,即使後來陳其邁初選勝出,但兩人裂痕難撫平,加上當年韓流太強盛,最終讓韓國瑜當選市長,終結民進黨在高雄連續20年的執政。
劉世芳的意識形態鮮明,他在立院時多數時間在外交國防委員會,但也爆出不少爭議。2016年11月審僑委會預算時,劉世芳說,「扯鈴是中國的文化,這是在幫中國統戰。」在審國防部預算時,他也多次要求陸軍官校修改校歌,認為校歌中「黨旗飛舞」是黨國的意識形態,應該改為「國旗飛舞」以凸顯軍隊國家化。