Als Umweltminister setzte Gabriel die Politik von Jürgen Trittin fort und trat für ein Ende der Nutzung der Kernenergie ein (Atomausstieg). Allerdings berichteten ehemalige Mitarbeiter von Gabriel über ein großes Misstrauen von ihm gegenüber den eigenen Mitarbeitern im Ministerium, die Gabriel für „grüne Überzeugungstäter“ hielt. Bei der Weiterentwicklung des Klimaschutzabkommens von Kyoto strebte Gabriel eine europäische Führungsrolle an. Im 1. Halbjahr 2007 hatte Deutschland die EU-Ratspräsidentschaft inne und richtete im Juni 2007 den G8-Gipfel in Heiligendamm aus. Die Klimapolitik spielte dabei auf der politischen Agenda eine zentrale Rolle. Zusammen mit Frank-Walter Steinmeier setzt sich Gabriel außerdem für einen sozial-ökologischen New Deal ein, einen Gesellschaftsvertrag zwischen Wirtschaft, Umwelt und Beschäftigung.