Lata 1997–2005 Po odejściu z urzędu nadal zasiadał w Sejmie, a w latach 1998–2000 także w sejmiku podlaskim. 19 października 2001, po dojściu do władzy koalicji SLD-UP-PSL, objął stanowisko ministra spraw zagranicznych w rządzie Leszka Millera. Razem z premierem 16 kwietnia 2003 w Atenach w imieniu Polski sygnował traktat o przystąpieniu Rzeczypospolitej Polskiej do Unii Europejskiej. Stanowisko ministra spraw zagranicznych pełnił następnie w pierwszym i drugim rządzie Marka Belki od 2 maja 2004 do 5 stycznia 2005, kiedy to został odwołany z urzędu w związku z kandydowaniem na marszałka Sejmu.
W 2004 był jednym z twórców projektu uchwały „Dość złudzeń”, zgłoszonej przez Marka Borowskiego w trakcie krajowej konwencji SLD. W uchwale tej grupa dziesięciu polityków partii, skrytykowała wewnętrzne działania sojuszu. Wkrótce wszyscy poza nim wystąpili z SLD, przechodząc do nowo powstałej Socjaldemokracji Polskiej. W lipcu 2005 Włodzimierz Cimoszewicz zrezygnował z ubiegania się o miejsce w parlamencie następnej kadencji, rezygnując z aktywności partyjnej.
5 stycznia 2005 po przyjęciu przez Sejm rezygnacji Józefa Oleksego z funkcji marszałka Sejmu Włodzimierz Cimoszewicz został wybrany na trzeciego z kolei marszałka Sejmu IV kadencji.