20日晋陞空军一级上将，并接任国防部参谋总长任期至2007年2月1日卸任，转任总统府战略顾问。任内顺利完成中华民国国军精进案二阶段改革。在2008年1月1日实施义务军士兵役期1年，国防部参谋本部军务办公室裁撤等重大军事事务改革。卸任参谋总长后，曾由总统陈水扁内定为驻新加坡代表，成为第一位成为驻新加坡代表人选的退役四星上将，但国防部长李杰的临时请辞打乱了这项佈局，原定出任驻新加坡代表的他转而在2007年5月21日接任国防部长。2008年2月23日，李天羽因「鐽震风波」而辞去国防部长一职，继任者为前国防部副部长