Jørgensen ble valgt til Europaparlamentet fra Danmark i 2004 og 2009, og ledet de danske sosialdemokratene i parlamentet. Han var i første rekke profilert gjennom sitt arbeid som medlem av parlamentets komité for miljøvern, folkehelse og matvaresikkerhet, der han var viseformann 2007–2013. Jørgensen var involvert i forarbeidet med lovpakken om kjemikalier, REACH, som ble vedtatt i 2006, senere med EUs klimamålsetninger for 2020 og mer restriktive regler for dyrevelferd. Han har også vært medlem av komiteene for budsjettkontroll, klimaendringer og forholdet til Kina og Iran. Fra 2013 til 2015 var han matvareminister i Helle Thorning-Schmidts regjeringer, etter å ha frasagt seg renominasjon til Europaparlamentet og lansert sitt kandidatur til Folketinget. Han ble første gang valgt til Folketinget fra Fyns storkrets i 2015, og gjenvalgt i 2019.