2000年2月，任水利部规划计划司司长。2004年12月，升任水利部副部长、兼任国务院三峡工程建设委员会委员。2005年3月，陈雷外放新疆工作，担任中共新疆维吾尔自治区党委常委、自治区人民政府副主席。2007年4月，53岁的陈雷接替汪恕诚出任中华人民共和国水利部部长、党组书记，同时兼任国家防汛抗旱总指挥部副总指挥、国务院南水北调工程建设委员会成员兼武装警察水电指挥部第一政治委员、党委第一书记。2018年3月16日，64岁的陈雷任第十三届全国政协农业和农村委员会副主任。3月19日起，不再担任水利部部长