Po wyborze na funkcję prezydenta Władimir Putin powołał Kasjanowa na szefa rządu. 17 maja 2000 Duma Państwowa zatwierdziła nominację Kasjanowa na stanowisko premiera Federacji Rosyjskiej. Jako szef rządu uchodził on za zwolennika liberalnych reform wolnorynkowych. Zarazem kojarzony był ze środowiskiem polityczno-gospodarczym związanym z Jelcynem, które po objęciu funkcji prezydenta przez Putina stopniowo zaczynało tracić wpływy. Jeszcze jako premier Kasjanow krytykował działania władz federalnych wymierzone we właścicieli koncernu Jukos: Michaiła Chodorkowskiego i Płatona Lebiediewa. 24 lutego 2004, tuż po wyborach do Dumy, a przed wyborami głowy państwa Kasjanow został przez prezydenta Putina odwołany ze stanowiska premiera wraz z całym gabinetem.
Po dymisji na rok wycofał się z życia politycznego. Zajmował się działalnością doradczą i analityczną. Do polityki wrócił w lutym 2005, publicznie krytykując sytuację polityczną w Rosji. Ogłosił gotowość stanięcia na czele demokratycznej opozycji przeciwko prezydentowi Putinowi oraz startu w wyborach prezydenckich w 2008. W kwietniu 2006 stanął na czele Sojuszu Ludowo-Demokratycznego, przekształconego w lipcu tego samego roku w Rosyjski Sojusz Ludowo-Demokratyczny. Jako jego lider brał udział w działaniach opozycyjnego bloku Inna Rosja.