26 lutego 2009 desygnowany przez prezydenta Valdisa Zatlersa na stanowisko premiera Łotwy. 12 marca 2009 parlament Łotwy zatwierdził rząd Valdisa Dombrovskisa. Przez kilka miesięcy był też ministrem ds. dzieci, rodziny i integracji społecznej. W wyborach w 2010 i 2011 z ramienia Jedności odnawiał mandat poselski. 2 listopada 2010 otrzymał od prezydenta Valdisa Zatlersa misję sformowania nowego rządu, który następnego dnia został zatwierdzony przez Sejm X kadencji. Do końca roku kierował w tym rządzie również resortem rozwoju regionalnego i samorządności. 25 października 2011 Sejm XI kadencji udzielił akceptacji trzeciemu gabinetowi dotychczasowego premiera.
21 października 2013 doszło do katastrofy budowlanej w Rydze, w wyniku której śmierć poniosły 54 osoby. Sześć dni później Valdis Dombrovskis podał się do dymisji, uznając, że jego rząd przyjmuje na siebie polityczną odpowiedzialność. Urząd premiera sprawował do 22 stycznia 2014, kiedy to zakończył się proces formowania nowego gabinetu. 23 stycznia 2014 odnowił mandat poselski, wracając do pracy w parlamencie.