2007年12月任清华大学常务副校长，秘书长。2010年1月兼任清华大学研究生院院长。2010年1月至2011年7月兼任清华大学深圳研究生院院长。2012年2月任清华大学校长。2013年，被选为全国人大代表。2015年1月28日接替周生贤被任命为环境保护部党组书记，并卸任清华大学校长；2月27日被任命为环境保护部部长，成为当时国务院各部委中最年轻的正部长。2017年5月27日，陈吉宁被任命为中共北京市委委员、常委、副书记，北京市人民政府副市长、代理市长、党组书记。2017年6月27日，被免去环境保护