1924年11月から1929年6月に第2次ボールドウィン内閣の外務大臣に就任。1925年にはスイス・ロカルノにおいてドイツ・フランス・イタリア・ベルギーとの間に西ヨーロッパの国境維持、相互不可侵、ラインラント現状維持を旨とするロカルノ条約を締結した。この功績で1925年にガーター勲章を授けられ、ノーベル平和賞を受賞した。さらに1928年8月にはロカルノ条約締結国の他、アメリカや日本、ソ連なども含めた15か国との間にケロッグ＝ブリアン条約（不戦条約）を締結した。1929年6月に労働党政権への政権交代でアーサー・ヘンダーソンに後事を託して辞職したが、ヘンダーソンはチェンバレンが作った英独仏協力体制より国際連盟の枠組みを重視する傾向があり、ヨーロッパの緊張が高まらせる結果となる。
1921年3月にボナー・ローが健康を理由に党首を辞すと、3月21日の保守党議員の会合の席上でチェンバレンが下院保守党指導者に選ばれた。当時保守党内では連立の破棄を求める者が増えていたが、チェンバレンは連立解消には慎重派だった。1921年10月には英国代表団の一員としてロイド・ジョージ首相とともにアイルランドへ赴き、シン・フェイン党代表との会談に出席している。この交渉が長引いている間、チェンバレンは保守党内の対アイルランド強硬派から激しい批判を受けるようになった。彼らはアイルランドへのいかなる譲歩にも反対し、保守党党首がこのような会談の片棒を担ぐことに反対していた。こうした不満層を抑えながら党運営と挙国一致内閣の維持にあたったが、1922年10月19日のカールトン・クラブにおける保守党議員の会合で連立反対を意味する決議が行われた。これによりチェンバレンは失脚を余儀なくされ、保守党の協力を前提としているロイド・ジョージ内閣も総辞職することになった。その後11月15日の総選挙を経て保守党政権が誕生するものの、ロイド・ジョージに忠実なチェンバレンにとってそれは敗北だった。以降チェンバレンは1924年に第二次ボールドウィン内閣が組閣されるまで閣僚職につかなかった。
第一次世界大戦中の1915年5月に成立した挙国一致内閣ではインド大臣に就任。戦死者の急増で兵員が枯渇してくるとロイド・ジョージやウィンストン・チャーチル、セルボーン伯爵、初代カーゾン伯爵ジョージ・カーゾン、第5代ランズダウン侯爵ヘンリー・ペティ＝フィッツモーリスといった閣僚たちとともに徴兵制導入の主要論者となり、慎重派閣僚たちを退けて、1916年5月に18歳から41歳の男性を一律に即時徴兵する1916年兵役法を可決させることに成功した。そしてカーゾンとともに軍部に賛同して70個師団説を強く推し、財政的に不可能だと主張するレジナルド・マッケナと対立した。1916年12月に政変でアスキス内閣が倒れ、ロイド・ジョージ内閣が成立。チェンバレンは引き続きインド大臣に在職した。1918年4月から1919年10月まで戦時内閣のメンバーとなる。戦後の1919年1月から1921年4月にかけて財務大臣に就任。
1905年に自由党への政権交代があり、野党議員となった。チェンバレンは積極的な海軍軍拡を主張し、ドレッドノート型戦艦6艦の建造を要求。4隻建造に抑えようとするアスキス首相を「絞首刑に値する」となじった。1911年に自由党政権が提出してきた庶民院の優越を定める議会法案をめぐっては、初代ハルズベリー伯爵ハーディング・ギフォードや第2代セルボーン伯爵ウィリアム・パーマー、第4代ソールズベリー侯爵ジェイムズ・ガスコイン＝セシル、エドワード・カーソンらとともに強硬に法案に反対し、自由党系貴族大量任命を恐れて妥協に傾く党首アーサー・バルフォアの弱腰を批判し、自由党政権に対する徹底抗戦を唱えた。だが結局バルフォアの息のかかった妥協派貴族院議員たちの賛成を得て議会法は可決。これに憤慨したチェンバレンはF.E.スミスらとともに「B・M・G（バルフォアよ、去れ）」運動を開始し、バルフォアを党首辞職に追い込んだ。後任の党首を巡ってはチェンバレンかウォルター・ロングであろうという下馬評があったが、二人ともこれ以上党の団結を壊してまで争うことを快しとしていなかったので辞退した。その結果アンドルー・ボナー・ローが後任の党首となった。
原作から12年経っているが、ほしのゆめみと屑屋の声優には原作同様すずきけいこと小野大輔が起用されている。津田はそこを外したらファンに向き合えないと思ったことと、自身も変えるのはいやだったからと答えている。すずきは今回のアニメ化にあたって津田から「原作よりも人間味のある感じのロボットに」というプランだったといい、原作ではなかった感情を表す息っぽい表現もぎこちなくだが、少し入れたりしたとコメントしている。小野は原作収録時は駆け出しの頃だったため、「ああ、今だったらもっといろんな表現ができる。もっと考えられる部分もある」というタイミングでのアニメ化だったので、「なんだこのご褒美は！」と思ったという。劇場版の主人公でもある星の人にはドラマCD版の広瀬正志から大木民夫が新たに起用されている。小野いわく、大木は劇中の星の人が星空の魅力を語って聞かせるように、収録現場の休憩時間等において自身の体験を語ることがあり、津田も以前大木から話を拝聴する機会があったため、今回星の人役をお願いしたという。大木は88歳にて星の人を演じており、Key作品の主役を演じた声優では最年長になる。大木はその後病気療養のため休業、2017年12月14日に89歳で亡くなった。大木にとって本作が日本のアニメ作品の中で唯一主役を演じた作品であり、アニメ作品における遺作となった。また上記のようにほしのゆめみと屑屋以外のキャラクターの声優は全員一新されているが、『planetarian ドラマCD 第二章 ｢エルサレム｣ 』でグエン・チャウを演じた櫛田泰道が今作においては大戦勃発前、ゆめみの同僚として働いていた三ケ島吾朗役として出演した。