gabinecie cieni PO odpowiedzialnego za edukację i naukę.
Od 2001 do 2007 z ramienia PO sprawowała mandat poselski w Sejmie IV i V kadencji. W V kadencji przewodniczyła Komisji Edukacji, Nauki i Młodzieży. W wyborach parlamentarnych w 2007 po raz trzeci została posłem, otrzymując w okręgu gliwickim 27 100 głosów.
20 listopada 2007 objęła stanowisko sekretarza stanu w Ministerstwie Edukacji Narodowej. W wyborach w 2011 ponownie zdobyła mandat poselski z tego samego okręgu, dostając 42 200 głosów.
17 listopada 2011 została odwołana z urzędu sekretarza stanu, a 18 listopada 2011 prezydent Bronisław Komorowski powołał ją na urząd ministra edukacji narodowej w drugim rządzie Donalda Tuska. 27 listopada 2013 odwołana z tego stanowiska.. W 2014 bez powodzenia kandydowała do Parlamentu Europejskiego z okręgu nr 11.
W wyborach w 2015 została ponownie wybrana do Sejmu, otrzymując 14 533 głosy. W wyborach w 2019 i 2023 z powodzeniem ubiegała się o poselską reelekcję z ramienia Koalicji Obywatelskiej, uzyskując odpowiednio 24 372 głosy oraz 50 871 głosów. W Sejmie X kadencji została przewodniczącą Komisji Edukacji, Nauki i Młodzieży (przekształconą potem w Komisję Edukacji i Nauki). W 2024 z ramienia KO bezskutecznie startowała w wyborach europejskich.