W 2006 ponownie kandydował na stanowisko marszałka województwa, przegrał w głosowaniu w sejmiku z Andrzejem Łosiem.
W grudniu 2007 odszedł z PiS (razem m.in. z Kazimierzem Michałem Ujazdowskim). W styczniu 2008 współtworzył regionalne stowarzyszenie Dolny Śląsk XXI, którym następnie kierował. Zasiadał w radzie Ruchu Obywatelskiego „Polska XXI”. W 2010 ponownie został radnym województwa z listy Komitetu Wyborczego Wyborców Rafała Dutkiewicza, został wiceprzewodniczącym sejmiku IV kadencji. W 2014 uzyskał mandat na kolejną kadencję z ramienia Platformy Obywatelskiej (jako kandydat rekomendowany przez Rafała Dutkiewicza). W 2015 zastąpił Barbarę Zdrojewską na funkcji przewodniczącego sejmiku V kadencji, pokonując w głosowaniu Andrzeja Jarocha z PiS (pełnił tę funkcję do końca tej kadencji w 2018).
W marcu 2016 opuścił klub PO, współtworzył klub radnych Bezpartyjni Samorządowcy, który w lipcu tego samego roku przekształcił się w Dolnośląski Ruch Samorządowy, a w czerwcu 2018 ponownie powrócił do nazwy Bezpartyjni Samorządowcy. W wyborach w tym samym roku, Paweł Wróblewski nie uzyskał reelekcji do sejmiku, startując z listy BS.