Gubernator thumb|left|300px|Sekretarz stanu Condoleezza Rice z gubernatorami, Kathleen Sebelius druga z lewej. Kathleen Sebelius w wyborach na gubernatora Kansas w listopadzie 2002 pokonała kandydata republikanów, Tima Shallenburgera, stosunkiem głosów 53% do 45%. Jej zwycięstwo było częściowo spowodowane podziałami w obozie republikańskim, wywołanymi książką Thomasa Franka „What’s the Matter with Kansas?”, opisującą ekspansję konserwatywnego populizmu w tym stanie. Urząd gubernatora Kansas oficjalnie objęła 13 stycznia 2003. W styczniu 2006 Sebelius była jednym z najbardziej popularnych gubernatorów w USAGovernor Approval Ratings 01/06 Sort by State, SurveyUSA, 25 kwietnia 2006..
26 maja 2006 oficjalnie ogłosiła zamiar ubiegania się o reelekcję. Jej rywalem został republikanin Jim Barnett. Sebelius odniosła ponownie zwycięstwo, zdobywając 57,8% głosów, podczas gdy Barnet uzyskał 40,5% głosów poparcia. Jej druga kadencja na stanowisku gubernatora była jej ostatnią. Pełniła ją do czasu przejścia do administracji prezydenta Obamy w kwietniu 2009.