במאי 2007 פרסם מבקר המדינה ביקורת על שבשנת 2003, שר האוצר בנימין נתניהו ושר החקלאות ישראל כ"ץ מינו ליו"ר הוועדה הציבורית לבחינת הפיקוח על מחירי החלב, את איש העסקים רן קרול, בניגוד להחלטת הממשלה שליו"ר ימונה נציג מהאקדמיה. בנוסף, המבקר כתב שבניגוד להחלטת הממשלה נציג ציבור בעל רקע בתחום החלב לא מונה כחבר בוועדה. כן נאמר בדו"ח המבקר שהוועדה העסיקה חברת ייעוץ פרטית בבעלות קרול, שמינתה את קרול עצמו כיועץ בשכר שלה.
במרץ 2007, לאחר חקירה שנמשכה שנתיים, המליצה המשטרה להגיש כתב אישום נגד כ"ץ בחשד למרמה והפרת אמונים, בעניין מינוי מקורבים וחברי מרכז הליכוד והתקשרויות לא חוקיות עם ספקים במועצת הצמחים, מועצת הלול, מועצת החלב, בגן הבוטני וברשות לפיקוח חקלאי. בספטמבר 2009 נסגר תיק החקירה נגדו. היועץ המשפטי לממשלה, מני מזוז סגר את התיק בשל קושי בביסוס ראייתי של השיקולים שהנחו את כ"ץ בפעולותיו והשאלה אם הם יכולים לבסס עבירה פלילית.
שר התחבורה והבטיחות בדרכים (2009–2019).
בממשלת ישראל ה-32 החל לכהן כ"ץ כשר התחבורה, התשתיות הלאומיות והבטיחות בדרכים, והמשיך בתפקיד זה גם בממשלה ה-33. בממשלה ה-34 המשיך בתפקידו כשר התחבורה, ובנוסף מונה לשר לענייני מודיעין ולחבר בקבינט המדיני-ביטחוני.
ב-17 בפברואר 2019 נבחר למלא את מקום שר החוץ וב-29 במאי 2019 מונה לשר החוץ במינוי קבוע במסגרת ממשלת המעבר. ב-23 ביוני 2019, יו"ר האיחוד הלאומי בצלאל סמוטריץ' החליף אותו בתפקיד שר התחבורה והבטיחות בדרכים. כ"ץ הוא שר התחבורה שכיהן הכי הרבה זמן בתפקידו.
תחבורה יבשתית.
קצב גידול האוכלוסייה בישראל הוא בין המהירים בעולם המערבי ובעקבות הצמיחה הכלכלית בשנות ה-2000 יש בה גידול בבעלות על כלי רכב ובדרישה לשירותי תחבורה יבשתית. צמיחה זאת עתידה להימשך בשנים הקרובות שכן רמת הבעלות על רכב בישראל היא מהנמוכות בעולם המערבי. מדינת ישראל גובה ממיסוי על כלי רכב מעל 40 מיליארד שקלים בשנה, אולם תקציב המדינה מקצה למשרד התחבורה לפיתוח תשתיות תעבורה יבשתיות פחות ממחצית סכום זה. משרד התחבורה נדרש על כן לתעדף את אמצעיו כדי להתמודד עם הגודש בכבישים והדרישה לשירותי תחבורה.
בהתמודדות עם הגודש בכבישים משרד התחבורה בראשות כ"ץ הוביל "קו מדיניות ברור המעדיף את התחבורה הציבורית על פני הרכב הפרטי", במטרה לעודד מעבר של הנוסעים ברכב פרטי לתחבורה ציבורית. בהתאם, הוגדל הסבסוד לתחבורה ציבורית וניתנה העדפה תקציבית לתשתיות תחבורה ציבורית ובמיוחד לרכבת ישראל על פני הרחבה מהירה יותר של תשתיות כבישים לרכבים פרטיים.
כ"ץ שלל פתרונות אחרים לגודש בכבישים, כדוגמת אגרות גודש ופתיחת תחום ההסעה בתשלום לכלל הנהגים ולא רק למוניות בעלי מספר ירוק. כ"ץ התנגד לאגרות גודש בטענה שמדובר על מס לא הוגן על הנהגים, ואף ביטל ניסוי של "נעים לירוק" שנתן הטבות לנהגים שנמנעו מנסיעה בכבישים עמוסים, דבר המהווה אגרת גודש בעטיפה יותר ידידותית לציבור. בTheMarker העלו את ההשערה שגם במעטפת כזאת חשש כ"ץ מהתנגדות ציבורית שתראה בהטבות מסווה לאגרות גודש או שעלות ההטבות תילקח מתקציב משרד התחבורה.
ב-2012 מינה כ"ץ את ירון זליכה לראשות ועדה ציבורית לבדיקת כשלי שוק הרכב. הוועדה פרסמה דו"ח ובו הצביעה על כ-52 הגבלים שונים שיש לפרק, אולם כ"ץ יישם חלק קטן מאוד מההמלצותה, על פי הערכת הוועדה, יישומן המלא היה חוסך למשק כשלושה מיליארד ש"ח בשנה.
בהנחייתו הביע משרד התחבורה התנגדות למתן אישור לנהגים שאין בידם מספר ירוק להסיע נוסעים בתשלום, דבר הנדרש כדי לאפשר פעילות נרחבת של תחבורה שיתופית, דוגמת זאת המסופקת באמצעות חברת אובר, בישראל. עם זאת, במענה לביקורת הגמיש משרד התחבורה בראשותו בסוף שנת 2017, את הכללים לקבלת תשלום מנוסעים, תחת הכותרת של החזר הוצאות, ברכב שאין לו מספר ירוק.
רכבת.
כשר תחבורה, תמך כ"ץ בהשקעות תקציביות גדולת בקווי רכבת לפריפריה, על פי תוכנית "נתיבי ישראל", שבמשרד האוצר ראו אותם כחסרי הצדקה כלכלית, אף על חשבון דחייה בפיתוח רשת הכבישים. לטענתו, קווי רכבת אלו הם חובה של המדינה לתושבי הפריפריה. השר כץ הביא את הגידול במספר הנוסעים ברכבת ישראל, ובמיוחד את הנסועה של רכבת הנגב שעמדה בסוף הרבעון השלישי של 2017 על ממוצע נסיעות יומי של 420,650, כהוכחה לצדקתו בהכרעה למען סלילת קווי הרכבת לפריפריה, בניגוד למבקרים שטענו שאין במסילות צורך.
במהלך כהונתו הוקם קו הרכבת מאשקלון לבאר שבע, שתוכנן עוד לפני כהונתו, אך סלילתו החלה ב-2009. הקו החל לפעול חלקית עם פתיחת תחנת הרכבת בשדרות בדצמבר 2013 והוא הושלם עם פתיחת תחנת אופקים בדצמבר 2015. כן הוקמו רכבת העמק מחיפה לבית שאן, רכבת הגליל מחיפה לכרמיאל, רכבת הנגב לשדרות, נתיבות ואופקים ורכבת השרון, שחיברה את רעננה והרצליה לת״א ויישובי השרון לאורך כביש 531. בנוסף הוחל בהקמת מערכת חישמול מתקדמת לאורך 420 ק״מ מסילות קיימות, והקווים החדשים לירושלים וכרמיאל. כץ גם תומך בקידום קו הרכבת לאילת.
ב-25 בספטמבר 2018 חנך את מסילת ירושלים - גנות, אף שבמועד זה הגיע הקו רק מירושלים לנתב"ג. הפעלת הקו הייתה רצופה תקלות ויצרה עומס כבד בקווים אחרים עקב מחסור בקרונות. מנכ"ל הרכבת, שחר איילון, אמר לתקשורת כי הוא היה מאריך את הרצת הקו בחצי שנה, לו היה הדבר תלוי בו.
באפריל 2011 הכריז כ"ץ על רפורמה ברכבת ישראל, מהלך שאושר לאחר כשנה, בעקבות מאבק של ועד עובדי הרכבת בראשות גילה אדרעי. בשנת 2012 הוציא לדרך השר כ"ץ את הרפורמה בחברת רכבת ישראל, לאחר מאבקים מול ועד העובדים וההסתדרות. הרפורמה כוללת הסכם בטיחות חדש, שינויי עומק בהתנהלות החברה בכל הקשור לתחומי השרות והתחזוקה, ושילוב חברות בין לאומיות במיקור חוץ בתחום התחזוקה, בהיקף עתידי של 30% מהיקף התחזוקה בציוד החשמלי שיוכנס לרכבת. חלק מרכזי ברפורמה היה ההחלטה על הוצאת העבודות על הקמת מסילות חדשות מחברת הרכבת לידי חברת נתיבי ישראל, שנמסרו לאחר הביצוע להפעלה של חברת רכבת ישראל.
כשר התחבורה קידם את הקמת הקו האדום של הרכבת הקלה בתל אביב.
כבישים.
הממשלה אישרה בשנת 2013 את הרפורמה שהציע להוזלת ענף הרכב.
כץ התגאה בפיתוח כבישים חדשים, במיוחד בתשתית שחיברה את הפריפריה למרכז. במהלך כהונתו, כביש 6 הוארך דרומה עד צומת שוקת ובצפון התקדמו העבודות בקטע מיקנעם עד צומת סומך-קריית אתא, והזרוע הצפון מזרחית לכיוון קריית שמונה. בנוסף, כביש 1 לירושלים הורחב וחודש, והתקיימו עבודות להרחבת כביש 2, שחובר גם לנתיבי איילון. באזור המרכז מוקמת רשת כבישי הרוחב, כמו כביש 9 דרומית לחדרה, כביש 531 באזור השרון, כביש 431 באזור השפלה וכביש 7 מאשדוד מזרחה עד לכביש 6. אולם, במהלך כהונתו העומס בכבישים עלה וקצב סלילת הכבישים פיגר אחר קצב רכישת כלי רכב, אף על פי ששיעור הבעלות על כלי רכב בישראל הוא נמוך יחסית לעולם המערבי.
תחבורה ציבורית.
בגוש דן רבתי הוקמה רשת נתיבי תחבורה ציבורית עירונית ובין-עירונית, הכוללת מאות קילומטרים של נתיבי תחבורה ציבוריים שנתנו עדיפות לאוטובוסים, והעמיקו את העומס לרכבים פרטיים. ב-28 במרץ 2018 יצאה לפועל רפורמה בתעריפי הנסיעה בערים וביניהן, המאפשרת לנסוע בכרטיס אחד, בתעריף אחיד ובמחירים מוזלים בכל אמצעי התחבורה. מאז תחילת 2009 נרשמה עלייה של 40% בנסיעות בתחבורה ציבורית.
באחד בינואר 2016 השיק כ"ץ את הרפורמה בתעריפי התחבורה הציבורית, המאפשרת לשלב בין כלל אמצעי התחבורה במטרופולין בתעריף אחיד, ומציעה הוזלות דרמטיות של עשרות אחוזים במחירי המינויים. באחד באפריל 2016 הרחיב כ"ץ את הרפורמה גם לאזור הגליל והגולן, כך שתיושם בכל חלקי ישראל.
נמלי הים.
ביולי 2013 הודיעו ראש הממשלה, בנימין נתניהו ושר האוצר, יאיר לפיד, כי החליטו לאמץ את תוכניתו של שר התחבורה לרפורמה בנמלי הים, שתגביר את התחרות באמצעות הקמת נמלי מים עמוקים מתחרים, בחיפה ובאשדוד. חברת נמלי ישראל פרסמה שני מכרזים להקמה והפעלה של נמלים אלו, בניגוד לעמדת ועדי העובדים וההסתדרות. ביוני 2014 זכתה ענקית התשתיות הסינית, צ'יינה הארבור, במכרז להקמת הנמל החדש באשדוד. בינואר 2015 זכתה חברת שפיר הנדסה במכרז להקמת הנמל החדש בחיפה. במאי 2015 חתם כ"ץ על החוזים להפעלת הנמלים החדשים בין חברת נמלי ישראל לחברות הבינלאומיות שזכו במכרזי ההפעלה - חברת TIL מהולנד שתפעיל את נמל הדרום באשדוד וחברת SIPG מסין שתפעיל את נמל המפרץ, בחיפה.
ב-22 במאי 2018 הונפקה חברת נמלי ישראל (חנ"י) בבורסה. החברה השלימה גיוס בהיקף של כ-2.5 מיליארד שקל בהנפקת האג"ח הראשונה שלה לצורך מימון שני הנמלים החדשים בחיפה ובאשדוד. בתחילת הדרך הבטיח כ"ץ כי הקמת הנמלים לא תהיה על חשבון תקציב המדינה.
תעופה.
ביוני 2013 חתם כ"ץ על הסכם שמיים פתוחים עם האיחוד האירופי. לפי ההסכם ייפתחו שמי ישראל בהדרגה, על פני חמש שנים, בפני כל חברת תעופה אירופית וחברות ישראליות תוכלנה להפעיל טיסות לשדות תעופה בכל אירופה. רפורמת השמים הפתוחים עליה חתם השר כ"ץ עם האיחוד האירופי בשנת 2013, לאחר שנים של מו״מ, למרות התנגדויות ולחצים ושביתות, הביאה לתחרות והוזלה ניכרת במחירי כרטיסי הטיסה לישראל וממנה, להגדלת מספר יעדי הטיסה לרחבי העולם ולגידול של למעלה מ 60% במספר הנוסעים בנמל התעופה בן-גוריון.
במאי 2013 אישרה הממשלה את הצעתו של כ"ץ להקים נמל תעופה בינלאומי נוסף, נמל התעופה רמון.
שונות.