Kosciusko-Morizet ble valgt inn i Frankrikes nasjonalforsmaling i 2002 som viserepresentant for Pierre-André Wiltzer som ble utnevnt til minister. Hun var statssekretær for miljøsaker 2007-2009 og statssekretær med ansvar for planlegging og digitalisering 2009-2010. I november 2010 ble hun utnevnt til miljøminister i François Fillons regjering og innehadde posten til februar 2012, da hun gikk av for å virke som pressetalsmann for Nicolas Sarkozy under hans kampanje for å bli gjenvalgt til president.