Od grudnia 2000 do czerwca 2003 po raz pierwszy sprawowała urząd ministra edukacji w rządzie Adriana Năstase. Ponownie zajmowała to stanowisko od grudnia 2008 do października 2009 w gabinecie Emila Boca (odpowiadając też za badania naukowe i innowację). W lipcu 2012 po raz trzeci stanęła na czele resortu edukacji (jako minister edukacji, badań naukowych, młodzieży i sportu) w pierwszym rządzie Victora Ponty. Odbierając nominację, na żądanie prezydenta Traiana Băsescu oświadczyła, że nigdy w trakcie swojej kariery naukowej nie dopuściła się plagiatu (zarzuty plagiatowania wymusiły dymisję jej poprzednika). W listopadzie tego samego roku blog integru.org opublikował artykuł, w którym zarzucił jej popełnienie plagiatu w pracy naukowej z 2003. Ecaterina Andronescu zaprzeczyła tym zarzutom, nie znalazła się jednak w składzie nowego rządu Victora Ponty utworzonego w grudniu 2012.
W 2014 jako liderka listy wyborczej lewicowej koalicji skupionej wokół socjaldemokratów uzyskała mandat deputowanej do PE VIII kadencji. Jeszcze przed jej rozpoczęciem zrezygnowała z jego objęcia na rzecz Victora Negrescu. W listopadzie 2018 po raz czwarty została ministrem edukacji, dołączając do rządu Vioriki Dăncili.