W 2023 odbyły się kolejne wybory, w których jej ugrupowanie zwiększyło swoje poparcie (otrzymując 31,2% głosów); Kaja Kallas ponownie została wybrana na deputowaną. Estońska Partia Reform zawarła tym razem koalicję z SDE i partią Estonia 200. 12 kwietnia 2023 Riigikogu zatwierdziło ją na funkcji premiera. Członkowie jej trzeciego gabinetu zostali zaprzysiężeni przez prezydenta 17 kwietnia tego samego roku.
W 2024 znalazła się na liście osób poszukiwanych w Rosji na podstawie przepisów karnych; polityk uznała, że jest to reakcja na wspieranie przez nią Ukrainy w czasie zapoczątkowanej w 2022 rosyjskiej inwazji. W czerwcu tego samego roku Rada Europejska uzgodniła jej nominację na stanowisko wysokiego przedstawiciela Unii do spraw zagranicznych i polityki bezpieczeństwa. W związku z tą decyzją 15 lipca 2024 złożyła dymisję kierowanego przez siebie rządu. Zakończyła urzędowanie 23 lipca tegoż roku, gdy został zaprzysiężony nowy gabinet kierowany przez Kristena Michala. Odeszła także z funkcji przewodniczącej partii. Kadencję w nowej KE kierowanej przez Ursulę von der Leyen rozpoczęła 1 grudnia 2024;