W wyborach parlamentarnych została liderem listy PO do Sejmu w okręgu rybnickim, uzyskała mandat poselski liczbą 22 418 głosów.
20 listopada 2013 premier Donald Tusk zapowiedział nominację Joanny Kluzik-Rostkowskiej na stanowisko ministra edukacji narodowej. Urząd ten objęła 27 listopada 2013 na skutek powołania jej przez prezydenta Bronisława Komorowskiego.. 22 września 2014 objęła to samo stanowisko w rządzie Ewy Kopacz. Podczas jej urzędowania w 2015 doszło do strajków nauczycieli; pod siedzibę ministerstwa przyszło około 20 tys. protestujących. Minister przemówiła wtedy do zgromadzonych, informując, że nie ma pieniędzy w budżecie na podwyżki nauczycielskie.
Przystąpiła do PO, w wyborach parlamentarnych w 2015 z jej listy powodzeniem ubiegała się o poselską reelekcję w okręgu warszawskim, otrzymując w nim 12 807 głosów. 16 listopada 2015 zakończyła pełnienie funkcji ministra. W wyborach w 2019 i 2023 ponownie uzyskiwała mandat poselski, kandydując z ramienia Koalicji Obywatelskiej w okręgu radomskim i otrzymując odpowiednio 19 320 głosów oraz 21 218 głosów. W styczniu 2024 powołana w skład sejmowej komisji śledczej ds. wykorzystania oprogramowania Pegasus.