3月，被任命为国务委员；不久，又出任北京奥运会组委会副主席、党组副书记。2012年11月，在中共十八届一中全会上，连任中共中央政治局委员，成为继邓颖超之后，中共第二位连任的女性中央政治局委员。2013年3月，被国务院总理李克强提名为国务院副总理，是中华人民共和国建国以来第四位女副总理（之前三位分别是吴桂贤、陈慕华、吴仪）。2017年10月25日，刘延东在中共十九届一中全会后退出中共中央政治局，并在十三届全国人大一次会议后卸任国务院副总理退休。