Poc després de ser destinat a Madrid, a l’Audiència Nacional (1988), inicià una trajectòria marcada per casos d’evidents connotacions polítiques que el convertiren en el jutge més mediàtic de l’Espanya postfranquista, com ara la investigació de la trama antiterrorista il·legal dels Grupos Antiterroristas de Liberación (GAL) o la detenció de vint-i-cinc independentistes catalans poc abans dels Jocs Olímpics del 1992 (operació condemnada el 2004 pel Tribunal Europeu de Drets Humans). Al principi del 1993 obtingué l’excedència judicial per a concórrer com a candidat del PSOE en les eleccions generals d’aquest any, en les quals fou escollit diputat. Nomenat delegat del govern per al Pla Nacional sobre Drogues, el 1994 renuncià a l’acta de diputat i es reintegrà a la carrera judicial, i s’ocupà de nou del cas GAL i feu processar alts càrrecs del govern socialista. Altres intervencions polèmiques foren la demanda de la Gran Bretanya d’extradició de l’exdictador xilè Augusto Pinochet, el tancament del diari Gara (1998, que els tribunals declararen no procedent el 2009), la il·legalització de Batasuna (2002) i el “cas Pretòria” (2009).
Els anys següents, tres de les causes que instruí el portaren als tribunals com a acusat: les investigacions sobre els desapareguts i executats durant el franquisme —per presumpta prevaricació (denúncia interposada per Falange Española i una organització d’ultradreta), i que provocà la suspensió del càrrec i l’encausament pel Consell General del Poder Judicial (2008)—; la querella contra Emilio Botín per presumptes delictes fiscals —pel cobrament il·legal d’uns cursos del Banco Santander (2005-06)—, i el “cas Gürtel” —la intervenció de les comunicacions telefòniques en que es basà per a instruir el cas—. En els dos primers casos fou absolt, mentre que en el tercer, el 2012 fou condemnat a onze anys d’inhabilitació, sentència que l’any següent recorregué al TEDH.
Establert com a advocat a Madrid des de la inhabilitació com a jutge, el juliol del 2012 es feu càrrec de la defensa del ciberactivista Julian Assange, i s’involucrà en diverses causes de contingut polític, entre d’altres la reivindicació de les víctimes del franquisme (2014) o l’exhumació de Franco del Valle de los Caídos, rebutjada pel Tribunal Suprem el 2017. L’agost d’aquest any registrà com a partit polític la plataforma d’esquerres Actúa, juntament amb el dirigent d’Izquierda Unida Gaspar Llamazares.