W wyborach w 2010, 2014 i 2019 z ramienia PDM uzyskiwał mandat posła do Parlamentu Republiki Mołdawii.
Od stycznia 2011 do stycznia 2016 sprawował urząd ministra technologii informacyjnych i komunikacji w rządach, którymi kierowali kolejno Vlad Filat, Iurie Leancă, Chiril Gaburici, Natalia Gherman, Valeriu Streleț i Gheorghe Brega. 20 stycznia 2016, w trakcie kryzysu politycznego i masowych protestów przeciwko ujawnianym przypadkom korupcji wśród polityków, objął urząd premiera Mołdawii. Jego kandydaturę przeforsował oligarcha Vladimir Plahotniuc, którego nominację na premiera zablokował wcześniej prezydent Nicolae Timofti.
W czerwcu 2019, kilka miesięcy po wyborach parlamentarnych, centroprawicowa koalicja ACUM Platforma DA și PAS porozumiała się z Partią Socjalistów Republiki Mołdawii prezydenta Igora Dodona, tworząc sojusz przeciwko Demokratycznej Partii Mołdawii. 8 czerwca parlament głosami tych ugrupowań powołał Maię Sandu na urząd nowego premiera Mołdawii. Ugrupowanie premiera nie uznało tej decyzji. Następnego dnia Sąd Konstytucyjny, wskazując, że rząd mógł być powołany najpóźniej 7 czerwca 2019, uznał zmianę rządu za nielegalną, zawiesił prezydenta, a Pavel Filip został wyznaczony do pełnienia obowiązków głowy państwa.