Vuoden 2007 ministerinsalkkujaossa Paula Lehtomäestä tuli ympäristöministeri, mutta Tiilikaisen sovittiin hoitavan tehtävää Lehtomäen äitiysvapaan ajan. Tiilikainen nimitettiin ministeriksi 28. syyskuuta 2007. Hän toimi Vanhasen II hallituksen ympäristöministerinä huhtikuuhun 2008 asti. Hallitusohjelman mukaan vaalikaudella tuli parantaa Ilmatieteen laitoksen ja Merentutkimuslaitoksen yhteistyötä. Sittemmin suunniteltiin myös laitosten yhdistämistä. Tiilikainen ja liikenneministeri Anu Vehviläinen valmistelivat hallituksen esityksen, jossa Merentutkimuslaitos lakkautettiin ja toiminnot jaettiin Ilmatieteen laitoksen ja Suomen ympäristökeskuksen välille. Merentutkimuslaitoksen johto, henkilökunta ja alan asiantuntijoita sekä kotimaasta että ulkomailta vetosivat laitoksen lakkauttamista vastaan. Oikeuskansleri arvosteli lakkauttamiseen liittyvää lainvalmistelua, sillä lakkauttamiselle ei tarjottu vaihtoehtoja. Lakkauttaminen sai aikaan keskustelua ja kirjallisia kysymyksiä eduskunnassa. Joulukuussa 2008 eduskunta päätti lakkauttaa Merentutkimuslaitoksen äänin 86 puolesta, 67 vastaan ja 43 tyhjää. Tiilikainen pitää itse ministerikautensa saavutuksina Balin ilmastoneuvotteluita, Itämeren suojelun toimintaohjelmaa, Metso-ohjelman syntyä ja ikäihmisten hajajätevesiasetuksesta vapauttamisen liikkeellepanoa.