Dołączył następnie do grona współpracowników Szymona Hołowni. Wszedł w skład jego sztabu w trakcie kampanii prezydenckiej w 2020, zajmował stanowisko pełnomocnika wyborczego. Po wyborach został wiceprezesem Stowarzyszenia Polska 2050. We wrześniu 2020 Szymon Hołownia wskazał go jako przewodniczącego zakładanej przez jego środowisko partii politycznej (zarejestrowanej w marcu 2021 pod nazwą Polska 2050 Szymona Hołowni). W marcu 2022 przeszedł na funkcję I wiceprzewodniczącego tego ugrupowania.
W wyborach parlamentarnych w 2023 kandydował do Sejmu z pierwszego miejsca na liście koalicji Trzecia Droga w okręgu warszawskim; uzyskał mandat posła X kadencji, otrzymując 61 452 głosy. W Sejmie został przewodniczącym Komisji do Spraw Unii Europejskiej. Objął też funkcję przewodniczącego delegacji Sejmu i Senatu do Zgromadzenia Parlamentarnego OBWE. W 2024 został przewodniczącym liberalnego europejskiego stowarzyszenia New Europeans. W 2024 został wybrany do Parlamentu Europejskiego X kadencji, startując jako lider listy Trzeciej Drogi w okręgu warszawskim i zdobywając 39 170 głosów. W czerwcu 2024 ustąpił z funkcji I wiceprzewodniczącego partii. W Europarlamencie zasiadł w Komisji Przemysłu, Badań Naukowych i Energii oraz Komisji Petycji.