W trakcie jego rządów przeprowadzono m.in. reformę służb specjalnych (rozwiązano UOP, powołując w jego miejsce Agencję Bezpieczeństwa Wewnętrznego i Agencję Wywiadu). Prowadzono również prace nad dostosowaniem uregulowań prawnych do wymogów Unii Europejskiej. 13 grudnia 2002 na szczycie w Kopenhadze Leszek Miller zakończył negocjacje z Unią Europejską. 16 kwietnia 2003 w Atenach wraz z Włodzimierzem Cimoszewiczem i Danutą Hübner podpisał traktat o przystąpieniu Polski do UE. W 2003 po referendum akcesyjnym zwrócił się do Sejmu o udzielenie jego rządowi wotum zaufania. Uzyskał je 13 czerwca 2003 stosunkiem głosów 236 do 213.

W marcu 2003 jego rząd podjął decyzję o przystąpieniu do tzw. koalicji antyterrorystycznej i wysłanie polskich wojsk do Iraku w ramach międzynarodowej koalicji mającej na celu obalenie rządów Saddama Husajna. Dwa miesiące wcześniej Leszek Miller był wśród sygnatariuszy listu ośmiu europejskich premierów popierających stanowisko Stanów Zjednoczonych w sprawie Iraku.

4 grudnia 2003 doznał obrażeń w wyniku katastrofy lotniczej rządowego śmigłowca Mi-8 pod Warszawą.