I juni 2002 ble Thorhild Widvey statssekretær i Fiskeridepartementet, og i januar 2003 statssekretær i Utenriksdepartementet. I juni 2004 ble hun utnevnt til statsråd i Olje- og energidepartementet. Hun gikk av sammen med resten av Bondevik-regjeringen i oktober 2005. I 2006 ble hun valgt inn i Høyres sentralstyre.