Od 20 lipca 2004 do 15 listopada 2007 sprawowała mandat posła do Parlamentu Europejskiego, została wybrana z listy PO w okręgu obejmującym województwa podlaskie i warmińsko-mazurskie. W PE była członkinią m.in. Komisji Wolności Obywatelskich, Sprawiedliwości i Spraw Wewnętrznych oraz delegacji do spraw stosunków z Białorusią.
16 listopada 2007 została powołana na urząd ministra nauki i szkolnictwa wyższego w pierwszym rządzie Donalda Tuska. W latach 2007–2011 z jej inicjatywy przeprowadzono reformy systemowe szkolnictwa wyższego i nauki. W 2011 otrzymała nagrodę „PROstudencki autorytet w życiu publicznym” przyznawaną przez środowiska studenckie. Została nagrodzona przez białostocki „Kurier Poranny” Złotymi kluczami w kategorii „Człowiek roku 2011”.
W 2011 kandydowała w wyborach do Sejmu RP z pierwszego miejsca na liście komitetu wyborczego Platformy Obywatelskiej w okręgu wyborczym nr 24 w Białymstoku i uzyskała mandat poselski. Oddano na nią 41 047 głosów (9,57% głosów oddanych w okręgu). W drugim rządzie Donalda Tuska zachowała stanowisko ministra nauki i szkolnictwa wyższego. 27 listopada 2013 odwołana przez prezydenta Bronisława Komorowskiego z tego stanowiskaPostanowienie Prezydenta Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 27 listopada 2013 r.