Elle est appelée au gouvernement par Pierre Bérégovoy en 1992 comme ministre de l’Environnement. Elle crée l’événement lorsqu’elle accouche au cours de son mandat et pose avec son enfant devant la presse. Au sein même de son camp, des critiques s’élèvent contre cet acte perçu comme une dérive people de la politique.
Après la défaite de la gauche aux législatives de 1993, Ségolène Royal doit attendre 1997 et le gouvernement de Lionel Jospin pour revenir à des fonctions nationales : ministre déléguée à l’Education. Aux côtés de Claude Allègre, elle se distingue par ses mesures contre le bizutage et surtout ses décisions controversées sur la pilule du lendemain et la dénonciation de la pédophilie. De 2000 à 2002, elle prend le poste de ministre déléguée à la Famille et à l’Enfance.

En 2004, Ségolène Royal se fait remarquer lorsqu’elle remporte les élections régionales en Poitou-Charentes, région alors hautement symbolique puisqu’elle est le berceau politique du Premier ministre en place, Jean-Pierre Raffarin.

En 2006, elle se présente comme candidate à la candidature socialiste pour les Présidentielles. Face à Dominique Strauss-Kahn, à Laurent Fabius et à un éventuel retour de Lionel Jospin, elle parvient à s’imposer dans les sondages.

Le 16 novembre 2006, après une campagne de débats publics, elle s’impose dès le premier tour avec plus de 60% des voix devant Dominique Strauss-Kahn et Laurent Fabius. Dès lors, portant l’étendard PS dans une campagne parfois difficile, elle tente de répondre à ses adversaires qui remettent en cause sa compétence.

Au soir du 22 avril 2007, elle résiste à la menace centriste et se hisse au second tour avec 25.87%, soit près de cinq points et demi de moins que Nicolas Sarkozy. Pendant l’entre-deux tour, elle mise notamment sur un rapprochement avec François Bayrou, mais celui-ci refuse de donner des consignes précises de vote pour l’un des deux candidats.

Ni son changement de stratégie durant l'entre-deux-tours, ni sa prestation pourtant combattive durant le débat qui l'oppose à son adversaire ne suffisent à renverser la tendance : Ségolène Royal est battue et doit s'incliner devant Nicolas Sarkozy qui est élu Président de la République.