2014年8月，任中共浙江省委常委、常务副省长、省政府党组副书记，中国科学技术协会第八届全国委员会副主席（兼职）。2016年11月，任中共浙江省委副书记、政法委书记，不再担任浙江省副省长。2017年4月28日，任中共浙江省委副书记、政法委书记、浙江省人民政府副省长、代省长。2017年7月，不再兼任中共浙江省委政法委书记一职。2020年8月31日，中共中央决定，袁家军任中共浙江省委书记。9月29日，浙江省十三届人大四次会议补选袁家军为浙江省第十三届人民代表大会常务委员会主任。
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