Vuonna 2005 Hedegaard valittiin jälleen Folketingetiin. Vuosina 2004–2007 hän oli maansa ympäristöministeri ja vuosina 2007–2009 ilmasto- ja energiaministeri Anders Fogh Rasmussenin sekä Lars Løkke Rasmussenin hallituksissa. Hänen ministerikaudellaan järjestettiin Kööpenhaminan ilmastokokous.