21 listopada 2002 prezydent Łeonid Kuczma mianował go na urząd premiera Ukrainy. Zastąpił na tej funkcji Anatolija Kinacha. Został zatwierdzony przez Radę Najwyższą większością 234 głosów za. W grudniu 2002 stanął na czele Narodowego Komitetu Olimpijskiego Ukrainy, którym kierował do czerwca 2005. W kwietniu 2003 powołany na przewodniczącego Partii Regionów, która stała się wkrótce główną siłą polityczną ówczesnego środowiska władzy.
Podczas pełnienia przez niego funkcji premiera doszło do kilkunastoprocentowego wzrostu produktu krajowego brutto, przeprowadzono reformy systemu podatkowego i emerytalnego, przyspieszono proces prywatyzacji. Według organizacji zajmujących się wolnością mediów w tym samym czasie dochodziło do licznych nieprawidłowości wobec dziennikarzy, którzy krytykowali władzę.