W 2004 po raz pierwszy uzyskała mandat posłanki do Kongresu Deputowanych. Do niższej izby Kortezów Generalnych była następnie wybierana w 2008, 2011 i 2015, zasiadając w niej do 2016. W latach 2004–2007 pełniła funkcję wiceprzewodniczącej Kongresu Deputowanych. W lipcu 2007 premier José Luis Rodríguez Zapatero powierzył jej stanowisko ministra mieszkalnictwa w swoim pierwszym gabinecie.
W kwietniu 2008 w drugim rządzie dotychczasowego premiera została powołana na urząd ministra obrony jako pierwsza kobieta w historii Hiszpanii. Zyskała wówczas rozgłos międzynarodowy także z uwagi na fakt, że w czasie odbierania nominacji znajdowała się w zaawansowanej ciąży. W 2011 wycofała się z rywalizacji o nominację na kandydata PSOE na premiera w przedterminowych wyborach. W grudniu 2011, po wyborczej porażce jej ugrupowania, zakończyła pełnienie funkcji ministra.
W lutym 2012 ubiegała się o przywództwo w PSOE, wewnątrzpartyjne wybory wygrał jednak Alfredo Pérez Rubalcaba (różnicą 487 głosów do 465 głosów). W 2016 nie kandydowała do Kongresu Deputowanych kolejnej kadencji. Podjęła następnie praktykę adwokacką.