三个月后，在辽宁省人大九届一次会上，当选副省长，时年46岁。2000年，时任沈阳市市长慕绥新因涉嫌贪腐被免职，陈政高于当年12月起，兼任沈阳市人民政府市长职务。2003年1月，任中共沈阳市委副书记、市长。2005年12月，升任中共辽宁省委常委、沈阳市委书记。此时，李克强担任中共辽宁省委书记，力主开展棚户区和工矿采空区住房改造工作，陈政高在沈阳市积极推进相关工作，取得了不错的成绩。2007年12月，55岁的陈政高接替张文岳出任辽宁省人民政府代省长，于2008年1月28日召开的辽宁省十一届人大一次会议上