27 maja 2010 tymczasowo wykonujący obowiązki prezydenta RP Bronisław Komorowski wyznaczył go na kandydata na prezesa Narodowego Banku Polskiego. Po ogłoszeniu decyzji o kandydowaniu Marek Belka ustąpił ze stanowiska dyrektora Departamentu Europejskiego MFW. 10 czerwca 2010 Sejm VI kadencji wybrał go na stanowisko prezesa Narodowego Banku Polskiego, a dzień później – po złożeniu przysięgi – Marek Belka objął urząd. W latach 2011–2016 był członkiem Komitetu Sterującego Europejskiej Rady ds. Ryzyka Systemowego.
W czerwcu 2014 tygodnik „Wprost” ujawnił nielegalnie nagraną rozmowę z lipca 2013 pomiędzy Bartłomiejem Sienkiewiczem a Markiem Belką i Sławomirem Cytryckim, której przedmiotem były m.in. zmiany w ustawie o NBP i ewentualna zmiana ministra finansów.
Jego kadencja upłynęła 11 czerwca 2016, od 12 do 20 czerwca pełnił obowiązki prezesa NBP (do czasu objęcia urzędu przez Adama Glapińskiego). W sierpniu tego samego roku Marek Belka został niezależnym członkiem rady dyrektorów funduszu nieruchomościowego Echo Polska Properties.