W 2002 stanął na czele frakcji poselskiej Zielonych.
W wyborach regionalnych w 2011 kierowani przez Winfrieda Kretschmanna Zieloni zajęli drugie miejsce za rządzącymi chadekami. Według komentatorów ich sukces był związany z publiczną dyskusją po katastrofie elektrowni atomowej Fukushima nr 1, do której doszło kilkanaście dni wcześniej. Zieloni zawarli wówczas porozumienie z Socjaldemokratyczną Partią Niemiec, powołując koalicję dysponującą 71 głosami w 138-osobowym landtagu. 12 maja 2011 Winfried Kretschmann został wybrany 73 głosami za na premiera Badenii-Wirtembergii, stając się tym samym pierwszym premierem kraju związkowego w Niemczech należącym do Związku 90/Zielonych. Zasiadł również w Bundesracie, zaś od listopada 2012 do października 2013 pełnił funkcję przewodniczącego tej izby.