W wyborach do Parlamentu Europejskiego w 2004 startowała z listy Prawa i Sprawiedliwości w okręgu nr 1 obejmującym województwo pomorskie. Uzyskała mandat poselski, otrzymując 25 994 głosów. Sprawowała go do 22 listopada 2005. Następnego dnia została mianowana sekretarzem stanu w Ministerstwie Spraw Zagranicznych. 9 maja 2006 po dymisji Stefana Mellera prezydent Lech Kaczyński mianował ją na stanowisko ministra spraw zagranicznych w rządzie Kazimierza Marcinkiewicza. Była pierwszą kobietą na tym stanowisku. Utrzymała je w rządzie Jarosława Kaczyńskiego, ponadto została przewodniczącą Komitetu Integracji Europejskiej.
Od września 2006 do maja 2010 zasiadała w Radzie Bezpieczeństwa Narodowego. 4 lipca 2007 Platforma Obywatelska złożyła do Sejmu wniosek o wotum nieufności dla wszystkich ministrów, w tym Anny Fotygi. 7 września 2007 – wraz z pozostałymi ministrami – została odwołana ze stanowisk ministra spraw zagranicznych i przewodniczącej Komitetu Integracji Europejskiej w rządzie Jarosława Kaczyńskiego, który równocześnie powołał ją na stanowisko sekretarza stanu w MSZ. Jeszcze tego samego dnia ponownie powołana na poprzednie stanowiska.. Tym samym marszałek Sejmu uznał za bezprzedmiotowy wniosek PO o wotum nieufności.