1 grudnia 2010 odszedł z rządu w związku z powołaniem na urząd marszałka województwa lubelskiego.
W wyborach parlamentarnych w 2011, startując z listy PSL w okręgu lubelskim, został wybrany do Sejmu, otrzymując 10 804 głosy. Po wyborach odmówił złożenia ślubowania, wobec czego jego mandat wygasłPostanowienie Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 26 października 2011 r. w sprawie stwierdzenia wygaśnięcia mandatu posła Krzysztofa Andrzeja Hetmana (). (zastąpił go w Sejmie Henryk Smolarz). W grudniu 2012 wybrano go na wiceprezesa partii. W wyborach do Europarlamentu w 2014 jako kandydat PSL w okręgu lubelskim uzyskał mandat eurodeputowanego z wynikiem 24 862 głosy. W 2019 z ramienia Koalicji Europejskiej jako reprezentant PSL z powodzeniem ubiegał się o reelekcję (otrzymał 105 908 głosów).
W wyborach parlamentarnych w 2023 uzyskał mandat posła X kadencji z ramienia koalicji Trzecia Droga (z wynikiem 28 876 głosów), odchodząc w konsekwencji z Europarlamentu. 12 grudnia 2023 Sejm X kadencji wybrał go na urząd ministra rozwoju i technologii w trzecim rządzie Donalda TuskaUchwała Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 12 grudnia 2023 r. w sprawie wyboru w skład Rady Ministrów ()..