Joly var medlem av Europaparlamentet fra 2009 til midten av 2019 for Europe écologie–Les verts, tidligere valgforbundet Europe Écologie, søsterpartiet til Miljøpartiet De Grønne. Hun var i perioden innvalgt fra den franske regionen Île-de-France. I 2012 var hun kandidat til presidentvalget i Frankrike, også da for partiet Europe écologie–Les verts.