Działalność polityczna od 2020 W 2020 wystartowała w wyborach prezydenckich, w pierwszej turze zajęła pierwsze miejsce wśród ośmiu kandydatów z wynikiem 36,2% głosów. Przeszła do drugiej tury, w której jej konkurentem ponownie został Igor Dodon. Maia Sandu wygrała drugą turę wyborów z 15 listopada – otrzymała 943 006 głosów (57,7%).
Ustąpiła następnie z funkcji przewodniczącej swojego ugrupowania. Urząd prezydenta Mołdawii objęła oficjalnie 24 grudnia 2020, stając się pierwszą kobietą na tym stanowisku.
W 2024 wzięła udział w kolejnych wyborach prezydenckich. W pierwszej turze otrzymała 42,5% głosów. Znalazła się ponownie w drugiej turze, w której jej przeciwnikiem został wspierany przez socjalistów Alexandr Stoianoglo. W drugiej turze pokonała swojego konkurenta z wynikiem 55,4% głosów, uzyskując tym samym prezydencką reelekcję na kolejną kadencję.
Na początku 2026 norweski deputowany zgłosił Maię Sandu jako kandydatkę do Pokojowej Nagrody Nobla, uzasadniając swoją nominację jej zasługami „w ochronie demokracji, rządów prawa i pokoju w Mołdawii”. Maia Sandu, komentując tę inicjatywę i odnosząc się do wymiany jeńców w trakcie rosyjskiej inwazji na Ukrainę, zaproponowała, by nagrodę tę przyznać powracającym z Rosji Ukraińcom, którzy „poświęcają swoje życie dla pokoju”.