lık ve AK Parti Genel Başkanlığı görevine Mayıs 2016'da başladı. Başbakanlık görevinden önce 2002–2013 ve 2015–2016 yılları arasında Ulaştırma, Denizcilik ve Haberleşme Bakanı olarak görevlendirildi. Ayrıca 2014 ve 2015 yılları arasında Recep Tayyip Erdoğan'ın danışmanlığını yaptı.

Yıldırım, 2002 Türkiye genel seçimlerinde AK Parti'nin İstanbul milletvekili seçilmeden önce 1994 ve 2000 yılları arasında İstanbul Deniz Otobüsleri'nde genel müdür olarak görev yaptı. Abdullah Gül tarafından kurulan 58. ve Recep Tayyip Erdoğan tarafından kurulan 59. hükûmetlerde ulaştırma bakanlığına getirilerek Marmaray ve Yüksek Hızlı Tren gibi birçok projeyi yönetti. 2004'teki Pamukova tren kazası sonrasında ağır eleştirilere maruz kaldı. 

2013'te hükûmetteki görevinden ayrılan Yıldırım, 2014 yerel seçimlerinde AK Parti'den İzmir'de belediye başkan adayı olsa da seçilemedi. Partisinde uygulanan üç dönem kuralından dolayı Haziran 2015 genel seçimlerine katılamadı ancak Kasım 2015'teki genel seçimlerde kuralın esnetilmesiyle tekrar meclise girdi ve 64. Hükûmet'te tekrar Ulaştırma, Denizcilik ve Haberleşme Bakanı olarak yer aldı. Ahmet Davutoğlu'nun istifası üzerine Mayıs 2016'da yapılan olağanüstü kongrede partisinin genel başkanı seçilerek 65. Hükûmeti'te başbakanlık görevine başladı. Başbakanlığının ilk aylarında ülkesinde bir darbe girişimi gerçekleşti.

Göreve başlamasının ardından Avrasya Tüneli, Osmangazi Köprüsü, Yavuz Sultan Selim Köprüsü, Ilgaz 15 Temmuz İstiklâl Tuneli, Ankara Yeni Hızlı Tren Garı Açılışı gibi projelerin açılışı yapıldı. Ayrıca çeşitli sektörlere yönelik kapsamlı ekonomik reformlar yürürlüğe girdi.

Binali Yıldırım 20 Aralık 1955 tarihinde Dursun Bey ile Bahar Hanım'ın yedi çocuğundan ikincisi olarak Erzincan'ın Refahiye ilçesine bağlı Kayı Köyü'nde doğdu. Arapçada Ali'nin oğlu anlamına gelen ismini (بن علي), ailesinin Alevi komşuları verdi. 16 yaşındayken 38 yaşındaki annesini kaybetti.

Orta öğrenimini 1970 yılında Piri Reis Ortaokulunda, lise öğrenimini 1973 yılında Kasımpaşa Lisesinde tamamlamasının ardından İstanbul Teknik Üniversitesi Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi'nden mezun oldu ve aynı bölümde yüksek lisans yaptı. Akabinde 1978 ve 1993 yılları arasında Türkiye Gemi Genel Müdürlüğü ve Camialtı Tersanesi'nde çeşitli kademelerde yöneticilik yaptı. 1990 ve 1991 yılları arasında İsveç'te bulundan Uluslararası Denizcilik Örgütü'ne (IMO) ait Dünya Denizcilik Üniversitesinde (WMU) Denizde Can ve Mal Güvenliği Yönetimi konusunda ihtisas eğitimi alan Yıldırım, bu eğitim sırasında toplam 6 ay İskandinavya ülkeleri ve Avrupa'da çeşitli ülke limanlarında Denizcilik İdaresi Uzmanları ile birlikte kontrollerde bulundu.

Mezun olmasının ardından Binali Yıldırım, 1994 ve 2000 yılları arasında İstanbul Deniz Otobüsleri (İDO) genel müdürlüğü görevini sürdürdü. Bu görevi sırasında İstanbul'da toplu taşımacılığın denize kaydırılması yönünde önemli projelere imza attı. Başta İstanbul-Yalova ve Bandırma hatlarının açılarak, Adnan Menderes ve Turgut Özal hızlı feribotlarının sefere konulması olmak üzere İstanbul'a kazandırılan toplam 29 iskele/terminal, 22 deniz otobüsü ve 4 feribotla İDO, önemli bir deniz taşımacılığı kurumu oldu. 1999 yılında deniz toplu taşımacılığı ve turizme katkılarından dolayı uluslararası "Skal Kulübü" tarafından verilen kalite ödülüne layık görüldü. Recep Tayyip Erdoğan'dan sonraki Belediye Başkanı Ali Müfit Gürtuna tarafından 2000 yılında görevden alındı.

İDO genel müdürlüğü döneminde Yıldırım, 1994 Türkiye yerel seçimleri'nde İstanbul Büyükşehir Belediyesi Başkanı seçilen ve görevini 1998 yılına kadar sürdüren Recep Tayyip Erdoğan ile yakın bir ilişki kurmuştur. 14 Ağustos 2001 tarihinde kurulan sosyal muhafazakâr Adalet ve Kalkınma Partisi'ne (AK Parti) katılarak kurucu üyeler arasında yer aldı. Sadece iki partinin seçim barajını aşabildiği 2002 Türkiye genel seçimleri'nde AK Parti İstanbul 1. Bölge milletvekili adayı oldu ve partisinin zaferiyle meclise girdi. 2007 Türkiye Genel Seçimleri'nde memleketi Erzincan'dan AK Parti Milletvekili olarak tekrar meclise girdi. 2011 Türkiye Genel Seçimleri'nde İzmir 1. Bölge Milletvekili olarak meclise girdi ve 3. kez milletvekili seçildi. Üç dönem kuralına takıldığı için Haziran 2015 Seçimlerine katılamadı. 1 Kasım 2015 Türkiye Genel Seçimleri'nde AK Parti İzmir 1. Bölge Milletvekili olarak meclise girdi.

Yıldırım, neredeyse kesintisiz 11 yıl Ulaştırma, Denizcilik ve Haberleşme Bakanı olarak görev yaptığı için AK Parti'nin "Değişmez Ulaştırma Bakanı" olarak anılır. Ayrıca bu bakanlıkta en uzun süre kalan kişidir.

Yıldırım, Kasım 2002–Kasım 2011 tarihleri arasında Ulaştırma Bakanı olarak görev yaptı. Üç dönem kuralına takıldığı için 3 ay süreliğine bu görevinden ayrıldı. 2011 yılı itibarıyla Recep Tayyip Erdoğan ve Ahmet Davutoğlu tarafından kurulan hükümetlerde Ulaştırma, Denizcilik ve Haberleşme bakanı olarak yer aldı. Kişisel Websitesi'nde Ulaştırma, Denizcilik ve Haberleşme bakanlığı döneminde 17,500 kilometre otoyol, 29 yeni havaalanı ve 1,213 kilometre yüksek hızlı tren hatları inşa edildiğini belirtilmiştir. Ulaştırma Bakanlığı görevinde bulunduğu sürede 225 milyar liralık yatırım faaliyetlerinde bulunmuştur. Türkiye genelinde 24 bin 280 kilometre bölünmüş yol yapılmış ve otoyol çalışmaları hız kazanmıştır.

Yıldırım ayrıca YouTube’un kapanmasına yönelik yoğun eylemleri ile uluslararası kamuoyunda sansürü teşvik eden bir figür olarak dikkat çekti.

2003 yılı sonunda ülke genelindeki bölünmüş devlet ve il yolların toplam uzunluğu 4.387 km, otoyolların uzunluğu ise 1.714 km iken; 2013 yılı itibarıyla sırasıyla 16.420 km ve 530 km'lik yol inşasıyla bu uzunluklar sırasıyla 20.807 km ve 2.244 km'ye ulaştı. 1993 yılında inşası başlamış olan Bolu Dağı Tüneli ve 2000 yılında inşasına başlamış olan Nefise Akçelik Tüneli 2007'de tamamlandı, 2011'de ise halen yapımı devam eden Avrasya Tüneli ve Konak Tüneli'nin temelleri atıldı. 2003 ve 2014 yılları arasında devlet ve il yollarında 41,2 km uzunluğunda 84 tek tüp tünel, 86,9 km uzunluğunda 46 çift tüp tünel; otoyollarda 1 km uzunluğunda tek tüp tünel ve 21,1 km uzunluğunda 12 çift tüp tünel; tüm yollarda ise toplam 64,3 km uzunluğunda 151 tek tüp tünel ve 135,8 km uzunluğunda 75 çift tüp tünel hizmete girdi. 2003 ve 2013 yılları arasında toplam uzunluğu 114,2 km'yi bulan 1.608 köprü inşa edilirken, 609 köprünün bakım ve onarımı tamamlandı. 
2003 yılında hükümet Türkiye'nin ilk Yüksek Hızlı Tren hizmetine başladı. Deneme seferi Yıldırımın da katılımıyla 4 Ocak 2004 tarihinde gerçekleştirildi. TCDD, trenlerini hızlandırma projesi kapsamında ilk etapta Ankara-İstanbul güzergahında başlattığı yol yenileme çalışmalarını tamamladı. Yaklaşık 7 trilyon 500 milyar liraya mal olan çalışmalarda raylar yenilenirken, traversler ve makaslar değiştirildi. Elektrikli çeken araçların azami hızlarını artırmaya yönelik çalışmaların ardından lüks vagonlarla çalışacak trenlerin maksimum hızı 150 km/h kilometreye çıkarıldı. Ankara-İstanbul yüksek hızlı demiryolu 2014 yılında ulaşıma açıldı. Ankara-Konya yüksek hızlı demiryolu'nun yapımı 2006 yılında başladı ve 2011 yılında bitirildi.

Marmaray projesi ile İstanbul’un Asya ve Avrupa yakaları denizaltından demiryoluyla birbirine bağlandı. Yavuz Sultan Selim Köprüsü, Avrasya Tüneli, ve Osman Gazi Köprüsü yapılmış, birçok tünel projesi hayata geçirildi.

Yıldırım "Türkiye'de Atıl Havaalanı kalmayacak" ve “Havayolunu halkın yolu haline getireceğiz” sözleri ile havacığın ilerlemesine yönelik çalışmaları başlattı. 26 olan aktif havalimanı sayısı bakanlığı döneminde 55’e, 34,4 milyon olan yolcu sayısını da 182 milyona çıkardı ve Türk havacılık sektörü dünya genelinde yüzde 5, Türkiye genelinde yüzde 15’lik büyüme gösterdi. Tokat, Kahramanmaraş, Sivas, Gaziantep ve Çanakkale illerinin havalimanları tekrar açıldı. İzmir'de Adnan Menderes Havalimanı adında uluslararası bir havalimanı 2006 yılında açıldı. Ayrıca 2014 yılında aynı havalimanına yapılan İç hatlar terminali'nin açılışını Yıldırım yönetmiştir.

Yıldırım'ın bakanlık döneminde birçok yeni havalimanları açılmıştır. Ayrıca 2018 yılında açıldığında dünyanın en büyük havalimanı olacak İstanbul Yeni Havalimanı projesi hala devam etmektedir. Havacılık sektöründe gerçekleştirilen liberalleşmenin sonucunda pazara birçok özel havayolu şirketi girdi.

AK Parti'nin en önemli projelerinden biri sayılan gemi trafiğini rahatlatmak adına Karadeniz ile Ege Denizi'ni birbirine bağlayacak Kanal İstanbul adlı su yoludur. Projenin içeriği ve yeri uzun süre gizli tutulmuştur.

Proje başlangıçta Yıldırım'ın 2009'da fikir projesi olarak gündeme geldi. Resmi olarak Nisan 2011 tarihinde Recep Tayyip Erdoğan tarafından açıklandı. 2016 yılında Yıldırım, projeyle ile ilgili hazırlıkların büyük oranda bittiğini ve belirlenen beş farklı güzergahtan birinin olacağını ifade etti. Yıldırım, proje hakkında "Birkaç güzergah var. Bunlardan birisi olacağı kesin. Ama vatandaşın kumar oynamamasını tavsiye ederim." ifadelerini kullandı.

Kanal İstanbul dışında Yıldırım, Türkiye'deki suyolları ve feribot servisi sayısının artırılmasına başkanlık etti. 2013 ve 2014 yıllarında İzmir'e yeni Körfez araba vapuru, Bostanlı –Üçkuyular hattında çalışmaya başladı. 2016 yılında Yalova'da İDO'nun yeni feribot terminali açıldı. 2015 yılında Yıldırım, kadın denizci öğrencileri için pozitif ayrıcalık uygulayacaklarını ve stajlarda daha fazla imkan bulmaları için özel bir program geliştireceklerini açıkladı.

22 Temmuz 2004 tarihinde Yakup Kadri Karaosmanoğlu hızlı treni Ankara–İstanbul rotasında hızlı tren seferini yaparken Sakarya'nın Pamukova ilçesinde aşırı hız yüzünden trenin ikinci yolcu vagonunun sol tekerleği raydan çıkmış, bu vagona bağlı vagonların da raydan çıkması sonucu trenin dengesi bozularak hızla sürüklenerek yana yatmıştır. Kaza sonucu 41 yolcu hayatını kaybetmiş, 80 yolcu yaralanmıştır.

Kaza sonrasında hızlı tren projesinin sorumlusu olan Yıldırım, birçok eleştiriye maruz kalmıştır. Kamuoyu baskısına rağmen kazada sorumluluk kabul etmemiş, istifa et