Fra 2002 til 2011 var hun medlem av Forbundsdagen, og fra 2009 til februar 2011 var hun parlamentarisk statssekretær i forbundsministeriet for mat, jordbruk og forbrukervern. Fra 25. september 2010 har hun vært partileder for CDU i delstaten Rheinland-Pfalz, og fra mars 2011 leder for partiet i Rheinland-Pfalz' landdag, altså i delstatsparlamentet. Fra 15. november 2010 har hun sittet i CDUs nasjonale (eksekutivekomite) og den 4. desember 2012 ble hun valgt til nestleder for CDU på landsbasis. Klöckner ble 14. mars 2018 utnevnt som Tysklands ernærings- og landbruksminister Angela Merkels fjerde regjering.