W 2008 został jednym z dwojga współprzewodniczących Zielonych. Rok później bez powodzenia ubiegał się o miejsce w Bundestagu, uzyskał je w 2013. Mandat w federalnym parlamencie utrzymał w 2017; był wówczas jednym z dwóch (obok Katrin Göring-Eckardt) głównych kandydatów partii w wyborach federalnych. W 2018 nowym współprzewodniczącym partii w jego miejsce został Robert Habeck.
Obejmował patronat nad więźniami politycznymi z Białorusi: Kaciaryną Barysiewicz (2020) oraz Ramanem Pratasiewiczem (2021).
W 2021 z powodzeniem ubiegał się o poselską reelekcję. W grudniu tegoż roku w nowo utworzonym rządzie Olafa Scholza objął stanowisko ministra rolnictwa i polityki żywnościowej. W listopadzie 2024 został dodatkowo pełniącym obowiązki ministra edukacji i badań naukowych, po czym w tym samym miesiącu otrzymał nominację na ministra edukacji i badań naukowych. Funkcje rządowe sprawował do maja 2025.
W wyborach regionalnych w Badenii-Wirtembergii z marca 2026 był kandydatem Zielonych na premiera tego landu. Ugrupowanie to zajęło w głosowaniu pierwsze miejsce, a Cem Özdemir uzyskał mandat posła do landtagu.