W czerwcu 2009 złożył deklarację wstąpienia do Unii Pracy, jednak w przeciwieństwie do przewodniczącego UP twierdził, że ostatecznie nie został członkiem tej partii.
6 listopada 2009 został wiceprzewodniczącym sejmowej komisji ds. zbadania procesu legislacyjnego ustawy o grach i zakładach wzajemnych, której prace trwały do sierpnia 2010. 10 maja 2011 został powołany przez premiera Donalda Tuska na stanowiska sekretarza stanu w Kancelarii Prezesa Rady Ministrów i pełnomocnika premiera ds. przeciwdziałania wykluczeniu społecznemu. Następnie przeszedł do klubu parlamentarnego Platformy Obywatelskiej.
W 2011 kandydował w wyborach parlamentarnych z 1. miejsca na liście komitetu wyborczego Platformy Obywatelskiej w okręgu wyborczym nr 41 i uzyskał mandat poselski. Oddano na niego 101 746 głosów (najwięcej w okręgu). 17 listopada 2011 premier Donald Tusk poinformował o zaproponowaniu mu objęcia funkcji ministra zdrowia. Następnego dnia Bartosz Arłukowicz został zaprzysiężony na ten urząd. Wiosną 2013 wstąpił do PO. 22 września 2014 po raz drugi objął stanowisko ministra zdrowia, wchodząc w skład rządu Ewy Kopacz. Był jedną z osób, których prywatne rozmowy zostały nagrane i następnie ujawnione w ramach tzw. afery podsłuchowej. W jej trakcie 10 czerwca 2015 podał się do dymisji.