Rok wcześniej został przewodniczącym swojego ugrupowania (w 2003 przekształconego w Partię Socjaldemokratyczną), ustąpił już w 2002 po porażce w wyborach samorządowych.
W 2003 został obserwatorem w Parlamencie Europejskim, po akcesji Estonii do UE od maja do lipca 2004 pełnił funkcję europosła. W pierwszych estońskich wyborach w 2004 uzyskał mandat eurodeputowanego. Zasiadał w grupie Partii Europejskich Socjalistów, był wiceprzewodniczącym Komisji Spraw Zagranicznych.
23 września 2006 został wybrany na prezydenta Estonii z poparciem socjaldemokratów, Estońskiej Partii Reform i konserwatystów. W kolegium elektorskim, zwołanym po nieudanych głosowaniach w parlamencie, otrzymał 174 głosy, pokonując urzędującego prezydenta Arnolda Rüütela (162 głosy).
29 sierpnia 2011 parlament wybrał go na kolejną kadencję prezydencką. Jego kandydaturę poparło 73 deputowanych, podczas gdy 23 zagłosowało na Indreka Taranda; jeden głos był pusty, dwa były nieważne. Toomas Hendrik Ilves uzyskał wymagane poparcie co najmniej 2/3 głosów (68 głosów) już w pierwszej turze głosowania (poparcia udzieliły mu te same ugrupowania co pięć lat wcześniej).