Am 15. November 2010 wurde Klöckner auf dem 23. CDU-Bundesparteitag in Karlsruhe mit der höchsten Zustimmung aller 40 Kandidaten (94,4 Prozent der Stimmen) Mitglied im CDU-Präsidium. Am 4. Dezember 2012 wurde sie zur stellvertretenden Bundesvorsitzenden der CDU gewählt und seitdem in dieser Funktion bestätigt, zuletzt im Januar 2021.