7 lipca 2006 poinformował komitet polityczny PiS o zamiarze podania się do dymisji. Organ ten zarekomendował Jarosława Kaczyńskiego na stanowisko prezesa Rady Ministrów. 10 lipca prezydent Lech Kaczyński przyjął dymisję jego gabinetu, obowiązki premiera Kazimierz Marcinkiewicz pełnił do 14 lipca tego samego roku.
Działalność polityczna i zawodowa od 2006 thumb|Kazimierz Marcinkiewicz podczas obchodów 62. rocznicy powstania warszawskiego (2006) 18 lipca 2006 został powołany przez premiera Jarosława Kaczyńskiego na stanowisko pełniącego funkcję prezydenta m.st. Warszawy. Urząd objął 20 lipca, zastępując na tym stanowisku Mirosława Kochalskiego. W związku z objęciem funkcji wygasł jego mandat poselski.
Był kandydatem Prawa i Sprawiedliwości na prezydenta Warszawy w wyborach samorządowych w 2006. W I turze wyborów zajął pierwsze miejsce z wynikiem 38,42% (272 050 głosów). W II turze przegrał z Hanną Gronkiewicz-Waltz (z Platformy Obywatelskiej), uzyskując 46,82% (329 309 głosów). Przekazanie władzy nowej prezydent nastąpiło 2 grudnia tego samego roku.