W 2000 wprowadził DSS do Demokratycznej Opozycji Serbii. Z ramienia DOS zwyciężył w wyborach na urząd prezydenta federalnego Jugosławii, pokonując Slobodana Miloševicia. Kontrolowana przez władze komisja wyborcza odmówiła uznania tych wyników. Wywołało to masowe wielotysięczne protesty w całym kraju, w trakcie których 5 października 2000 doszło do zajęcia instytucji rządowych. Ostatecznie 7 października tegoż roku Vojislav Koštunica objął urząd prezydenta Jugosławii. We wrześniu i grudniu 2002 dwukrotnie uczestniczył w wyborach na prezydenta Serbii, każdorazowo zdobywał największą liczbę głosów, oba te głosowania okazały się jednak nieważne z uwagi na zbyt niską frekwencję.
Po wyborach parlamentarnych w 2003 objął w marcu 2004 urząd premiera, utrzymał go również po wyborze w 2007 nowego parlamentu w ramach koalicji z Partią Demokratyczną i G17 Plus. W marcu 2008 podał się do dymisji, argumentując ją różnicami poglądów w koalicji rządowej, m.in. na temat współpracy z Unią Europejską po ogłoszeniu niepodległości Kosowa. Kryzys rządowy doprowadził do rozwiązania parlamentu i rozpisania przedterminowych wyborów. W lipcu 2008 Vojislav Koštunica zakończył urzędowanie na stanowisku premiera, a jego ugrupowanie przeszło do opozycji, w której pozostało również po wyborach w 2012.