大学等离子物理学研究所担任了3年的客席研究员。1993年，参加第40届众议院议员总选举，代表公明党在旧广岛1区出战并当选。之后转战比例中国区，至今已连续当选7次众议院议员。2008年8月，福田康夫首相改造内阁时，任命齐藤为环境大臣；一个多月后，麻生太郎接任首相，齐藤继续留在麻生内阁担任环境相。2009年，就日本至2020年温室气体减排中期目标与内阁其他成员产生较大分歧。齐藤大胆建议2020年度排放量比1990年减少15%至25%，但是提议得不到内阁和财界的支持。内阁和财界普遍认为原先预定的减排7