2012年中华民国立法委员选举当选不分区立法委员。2013年，李应元参加民进党云林县长党内民调初选，电话民调支持度于角逐者中排行第三。2014年，李应元参加台北市长候选人柯文哲竞选团队，担任团队党政平台秘书长。2016年4月12日，被任命为林全内阁的环保署署长，于5月20日就任。同时离职立法委员。2016年12月8日环保署提出新版空气品质指标AQI ，旧版AQI指标红色等级的PM2.5浓度范围在54～70微克/立方公尺(μg/m³)、紫色等级的PM2.5浓度需71微克/立方公尺(μg/m³)