W 2020 bezskutecznie ubiegał się o przywództwo w PSD. Na nowego lidera socjaldemokratów został wybrany natomiast w 2022. W 2024 z ramienia koalicji ugrupowań centroprawicowych ponownie uzyskał mandat posła do Zgromadzenia Republiki. Sojusz zorganizowany przez PSD uzyskał w tych wyborach największe poparcie. 21 marca Luís Montenegro otrzymał od prezydenta misję utworzenia nowego rządu. Lista kandydatów na ministrów została przedstawiona tydzień później. 2 kwietnia 2024 Marcelo Rebelo de Sousa dokonał zaprzysiężenia nowego mniejszościowego rządu; tym samym lider PSD rozpoczął sprawowanie funkcji premiera.
Na początku 2025 premierowi zaczęto zarzucać konflikt interesów i naruszenie przepisów antykorupcyjnych. Doszło do tego po publikacjach medialnych dotyczących działalności założonego przez niego przedsiębiorstwa Spinumviva, w którym udziały przejęli najbliżsi członkowie jego rodziny. W marcu 2025 jego rząd przegrał w parlamencie głosowanie nad wotum zaufania. Skutkowało to rozpisaniem przedterminowych wyborów na maj 2025, które skupiona wokół PSD koalicja wygrała, powiększając swoją reprezentację poselską.