W 2007 po raz pierwszy wybrany do Zgromadzenia Narodowego, reelekcję uzyskał w 2012 z ramienia powstałej na bazie m.in. Zielonych partii Europa Ekologia – Zieloni. Od 2012 pełnił funkcję współprzewodniczącego frakcji deputowanych tej formacji. W 2015 opowiedział się za powrotem ekologów do koalicji rządowej z socjalistami. Opuścił swoje ugrupowanie, powołując ruch polityczny Écologistes! (w 2016 przekształcony w Parti écologiste) i stając na jego czele. W 2016 wybrany na wiceprzewodniczącego niższej izby francuskiego parlamentu.
W styczniu 2017 wziął udział w zorganizowanych przez socjalistów prawyborach przed wyborami prezydenckimi. W pierwszej turze głosowania zajął piąte miejsce z wynikiem blisko 4% głosów. W trakcie kampanii wyborczej poparł Emmanuela Macrona. Z ramienia prezydenckiego En Marche! w czerwcu 2017 ponownie został wybrany w skład Zgromadzenia Narodowego.
W tym samym miesiącu został wybrany na przewodniczącego niższej izby francuskiego parlamentu XV kadencji. Funkcję tę pełnił do 4 września 2018, kiedy to został powołany na stanowisko ministra stanu oraz ministra transformacji ekologicznej i solidarnej w drugim rządzie Édouarda Philippe’a.