12 grudnia 2023 Sejm X kadencji wybrał go na urząd ministra nauki w trzecim rządzie Donalda TuskaUchwała Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 12 grudnia 2023 r. w sprawie wyboru w skład Rady Ministrów ().. Następnego dnia został przez prezydenta RP Andrzeja Dudę powołany na to stanowiskoPostanowienie Prezydenta Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 13 grudnia 2023 r. nr 1131.45.2023 o powołaniu w skład Rady Ministrów ().. W styczniu 2024 został powołany przez prezydenta w skład Rady Dialogu Społecznego.
W grudniu 2024 dziennikarze Wirtualnej Polski opublikowali kilka tekstów wskazujących na kontrowersyjne i budzące wątpliwości działania ministra. W artykule z 5 grudnia zarzucili Dariuszowi Wieczorkowi wykorzystywanie swojej pozycji w celu zapewnieniu korzyści zawodowych swojej żonie (będącej pracownikiem naukowym na Uniwersytecie Szczecińskim), m.in. poprzez zmianę regulaminu uniwersytetu czy podwyżkę dla rektora uczelni. Minister uznał tekst za atak na jego rodzinę, wskazując też, że zmiana regulaminu nie miała związku z opisywaną sprawą. W tekście z 12 grudnia dziennikarze opisali sprawę ujawnienia danych osobowych sygnalistki pomimo jej sprzeciwu.