Nel 1948 Flamigni partecipa a Forlì alla campagna per le elezioni politiche dando vita al movimento giovanile delle Avanguardie garibaldine che in pochi mesi raccolse circa 12.000 iscritti. Nel 1949, ricostituita la Federazione giovanile comunista italiana, ne diviene segretario provinciale. L'anno successivo il XII Congresso nazionale (Livorno, 29-30 aprile 1950) lo elegge membro del Comitato centrale della Fgci.
Nel 1952 viene eletto segretario generale della Camera confederale del lavoro di Forlì, incarico che svolse fino al 1956. Questi anni di attività sindacale lo vedono impegnato nelle lotte per la riforma agraria, per nuovi patti colonici, il superamento della mezzadria, le trasformazioni agrarie sulla base di piani aziendali e interaziendali.
Nel 1956 diviene segretario della Federazione forlivese del Pci, incarico che svolge fino al 1959, quando viene eletto membro del Comitato centrale del partito e incaricato del coordinamento regionale del Pci in Emilia-Romagna, regione che concentrava quasi un quarto degli iscritti di tutta Italia.
Nel 1962 viene chiamato dal partito a Roma, con l'incarico di membro dell'Ufficio di segreteria della Direzione nazionale, con Berlinguer, responsabile dell'ufficio, Alessandro Natta, Ferdinando Di Giulio, Franco Calamandrei, Elio Quercioli. In questi stessi anni è consigliere comunale a Forlì, dal 1956 al 1960, e consigliere provinciale dal 1960 al 1964.
Nel maggio 1968 viene eletto deputato nella circoscrizione di Bologna-Ferrara-Ravenna-Forlì; rimarrà alla Camera dei deputati per tre legislature. Nel 1979 viene eletto senatore nel collegio di Rimini, carica che ricopre fino al 1987, essendo stato rieletto nel 1983 nel collegio di Cesena.
Durante il suo primo mandato parlamentare viene eletto membro della Commissione parlamentare d'inchiesta sul fenomeno della mafia in Sicilia, già attiva dal 1962. Si tratta della prima commissione antimafia della storia repubblicana, che concluderà i suoi lavori nel 1976; anche durante la sesta legislatura Flamigni partecipa ai lavori di questa commissione.
Nel 1969 viene eletto capogruppo dei deputati comunisti nell'ambito della Commissione interni al posto di Caprara, espulso dal Pci con il gruppo del Manifesto. Ancora nelle due legislature successive, fino al 1979, Flamigni partecipa alla Commissione interni, ricoprendovi dal 1972 al 1979 l'incarico di vice-presidente.
Nell'ottava legislatura (1979-1983), eletto al Senato, partecipa ai lavori della Commissione affari costituzionali, affari della Presidenza del Consiglio e dell'interno, ordinamento generale dello Stato e della pubblica amministrazione, della quale sarà membro anche nella nona legislatura; inoltre, viene eletto membro della Giunta delle elezioni e delle immunità parlamentari.
Nel gennaio 1980 viene chiamato a far parte della Commissione parlamentare d'inchiesta sulla strage di via Fani, il sequestro e l'assassinio di Aldo Moro e il terrorismo in Italia, che, istituita con legge 597/79, conclude i suoi lavori il 29 giugno 1983.
Nel 1983 entra a far parte della Commissione parlamentare d'inchiesta sulla loggia massonica P2, i cui lavori si concluderanno il 12 luglio 1984; nella stessa legislatura partecipa anche alla seconda commissione antimafia che, istituita nel 1982 dalla legge cosiddetta "Rognoni-La Torre", prende il nome di Commissione parlamentare d'inchiesta sul fenomeno della mafia e termina i suoi lavori nel 1987.
Con la conclusione della nona legislatura lascia l'attività parlamentare e intraprende un'intensa attività di ricerca e di studio sui fenomeni del terrorismo, della P2, della mafia, che si concretizza nella pubblicazione di numerosi libri.
Nel 2005 ha dato vita al Centro documentazione Archivio Flamigni, cui ha donato il suo archivio.