6 czerwca 2019 objęła stanowisko ministra transportu i komunikacji w nowo utworzonym koalicyjnym rządzie Anttiego Rinne. 8 grudnia 2019, kilka dni po złożeniu dymisji przez Anttiego Rinne, Socjaldemokratyczna Partia Finlandii wskazała ją jako swoją kandydatkę na nowego premiera. 10 grudnia 2019 parlament zatwierdził ją na tym stanowisku stosunkiem głosów 99 za do 70 przeciw (przy 30 posłach nieobecnych). Tego samego dnia jej gabinet został zaprzysiężony przez prezydenta Sauliego Niinistö, rozpoczynając tym samym urzędowanie.
23 sierpnia 2020 zastąpiła Anttiego Rinne również na funkcji przewodniczącego socjaldemokratów. W 2023 kierowana przez nią partia zajęła w wyborach trzecie miejsce (zwiększając przy tym o 3 mandaty swoją poselską reprezentację). Sanna Marin została wówczas po raz kolejny wybrana do fińskiego parlamentu. Urząd premiera sprawowała do 20 czerwca 2023, kiedy to zastąpił ją Petteri Orpo, lider zwycięskiej Partii Koalicji Narodowej.
We wrześniu 2023 na funkcji przewodniczącego SDP zastąpił ją Antti Lindtman.