3 stycznia 2020 ogłosił swój start w wyborach na przewodniczącego Platformy Obywatelskiej. 25 stycznia 2020 został wybrany na przewodniczącego Platformy Obywatelskiej, pokonując w wyborach bezpośrednich w I turze Tomasza Siemoniaka, Bogdana Zdrojewskiego i Bartłomieja Sienkiewicza. Funkcję przewodniczącego oficjalnie objął 29 stycznia 2020, gdy ogłoszono oficjalne wyniki wyborów. Zastąpił tym samym dotychczasowego lidera partii Grzegorza Schetynę. 3 lipca 2021 podczas Rady Krajowej Platformy Obywatelskiej ogłosił swoją rezygnację z funkcji przewodniczącego partii, umożliwiając objęcie funkcji p.o. przewodniczącego przez Donalda Tuska. W tym samym dniu został wybrany na wiceprzewodniczącego partii, zaś 22 lipca 2021 ponownie objął funkcję przewodniczącego KP KO, zastępując Cezarego Tomczyka.