28 maja 2021 Sejm, stosunkiem głosów 248 za, 198 przeciw i 4 wstrzymujących, wybrał go na prezesa IPN (za jego wyborem głosował klub Prawa i Sprawiedliwości i koło Konfederacji, a także część posłów Polskiego Stronnictwa Ludowego, Kukiz’15, Polskich Spraw i 2 posłów niezrzeszonych), zaś 23 lipca 2021 stosunkiem głosów 52 za, 47 przeciw i 1 wstrzymujący się, Senat zgodził się na ten wybór (za zgodą na wybór głosowali senatorowie PiS, a także 1 senator Koalicji Obywatelskiej, 2 senatorów PSL oraz 1 senator niezrzeszona). Tego samego dnia Karol Nawrocki złożył przed Sejmem ślubowanie, obejmując urząd prezesa IPN, jednocześnie przestał być dyrektorem Muzeum II Wojny Światowej w Gdańsku. Urząd prezesa IPN zakończył pełnić 6 sierpnia 2025, w związku z objęciem urzędu prezydenta Rzeczypospolitej Polskiej.
W lutym 2024 znalazł się na liście osób poszukiwanych przez Ministerstwo Spraw Wewnętrznych Federacji Rosyjskiej w związku z postępowaniem karnym w sprawie o „zniszczenie i uszkodzenie” pomników upamiętniających żołnierzy Armii Czerwonej poległych w walkach przeciwko III Rzeszy na terenie Polski w latach 1944–1945.