Od czerwca do października 2003 pełnił funkcję przewodniczącego koalicyjnej rady koordynacji międzynarodowej w Iraku. Od listopada 2003 do kwietnia 2004 był dyrektorem ds. polityki gospodarczej w tymczasowych władzach koalicyjnych w Iraku, odpowiedzialnym za reformę walutową, stworzenie nowego systemu bankowego i nadzór nad gospodarką.
Prezes Rady Ministrów
W kwietniu 2004 został zgłoszony jako prezydencki kandydat na następcę premiera Leszka Millera. 2 maja 2004 Aleksander Kwaśniewski powołał go na prezesa Rady Ministrów oraz przewodniczącego Komitetu Integracji Europejskiej i dokonał zaprzysiężenia jego pierwszego gabinetu. Marek Belka wygłosił exposé w dniu 14 maja, nie uzyskał jednak w Sejmie wotum zaufania.
W drugim kroku powoływania premiera nie został przez Sejm zgłoszony żaden kandydat. 11 czerwca 2004 prezydent po raz drugi desygnował i powołał Marka Belkę na ten urząd. 24 czerwca stosunkiem głosów 236:216 Sejm udzielił rządowi wotum zaufania. 15 października 2004 Sejm ponownie przegłosował wotum zaufania dla jego drugiego rządu (stosunkiem głosów 234 do 218). 25 kwietnia 2005, w wyniku dymisji ministra środowiska Jerzego Swatonia, Marek Belka przejął obowiązki ministra środowiska.