W latach 2008–2011 pełniła funkcję sekretarza stanu do spraw zmian klimatu w rządzie, którym kierował José Luis Zapatero. Dołączyła później do zespołu IDDRI, paryskiego instytutu badawczego zajmującego się zrównoważonym rozwojem i stosunkami międzynarodowymi. W 2014 objęła stanowisko dyrektora tego instytutu. Powoływana również w skład rad dyrektorów różnych instytucji, m.in. Stockholm Environment Institute. Została też przewodniczącą rady doradczej Momentum for Change, inicjatywy związanej z UNFCCC. W latach 2014–2016 wchodziła w skład rady doradczej do spraw klimatu przy Światowym Forum Ekonomicznym. W 2015 dołączyła do zespołu Hiszpańskiej Socjalistycznej Partii Robotniczej (PSOE) opracowującego program wyborczy tego ugrupowania.
W czerwcu 2018 objęła stanowisko ministra do spraw ekologii w nowo powołanym rządzie Pedra Sáncheza. W styczniu 2020 została czwartym wicepremierem oraz ministrem do spraw ekologii i demografii w drugim gabinecie dotychczasowego premiera. W lipcu 2021 w tym samym rządzie awansowana na trzeciego wicepremiera. Oba zajmowane stanowiska rządowe utrzymała w powołanym w listopadzie 2023 trzecim rządzie lidera socjalistów.