Frederiksen ble i 2001 valgt til Folketinget fra Københavns amtskrets, etter å ha blitt nominert fra Ballerup krets. I 2007 ble mesteparten av valgkretsen videreført som Københavns omegns storkrets etter strukturreformen. Hun ble første gang valgt med 3 602 personlige stemmer i 2001, senere 18 219 stemmer i 2005, 27 077 stemmer i 2007 og 21 847 stemmer i 2011. Frederiksens stemmetall i 2007 og 2011 var blant de høyeste i landet. Hun har vært Socialdemokraternes sosial-, kultur- og likestillingspolitiske ordfører, i tillegg til nestformann i partiets folketingsgruppe 2005–2011.