W wyborach tych został wybrany w skład Senatu X kadencji z ramienia Koalicji Obywatelskiej w okręgu nr 10, otrzymując 79 054 głosy.
W grudniu 2021 agencja prasowa Associated Press poinformowała, że interdyscyplinarne laboratorium Citizen Lab, działające na University of Toronto, ustaliło, że w okresie od 26 kwietnia do 23 października 2019 (tzn. w czasie, kiedy Krzysztof Brejza m.in. kierował sztabem wyborczym Koalicji Obywatelskiej) telefon komórkowy polityka został 33 razy zhakowany przy użyciu oprogramowania szpiegującego Pegasus. W styczniu 2022 Associated Press podała, że niezależnie od Citizen Lab ustalenia te potwierdziło interdyscyplinarne laboratorium Security Lab, działające przy Amnesty International.
W wyniku wyborów z 2023 powrócił do Sejmu; uzyskał mandat posła X kadencji, otrzymując 89 840 głosów. W styczniu 2024 objął mandat eurodeputowanego IX kadencji, zastępując w PE Radosława SikorskiegoPostanowienie Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 3 stycznia 2024 r. w sprawie obsadzenia mandatu posła do Parlamentu Europejskiego w okręgu wyborczym nr 2 z siedzibą Okręgowej Komisji Wyborczej w Bydgoszczy ()., który został powołany na stanowisko ministra spraw zagranicznych;