W styczniu 2017 został ministrem pracy i polityki społecznej w technicznym rządzie Ognjana Gerdżikowa, stanowisko to zajmował do maja tego samego roku. Następnie został sekretarzem ds. polityki społecznej i ochrony zdrowia w kancelarii prezydenta Rumena Radewa. W maju 2021 powołany na stanowiska wicepremiera oraz ministra pracy i polityki społecznej w przejściowym gabinecie Stefana Janewa. Pozostał na tych stanowiskach w utworzonym we wrześniu 2021 drugim technicznym rządzie tego samego premiera. Zakończył urzędowanie w grudniu tegoż roku.
W związku z kryzysem politycznym po rozpadzie koalicji wspierającej rząd Kiriła Petkowa, prezydent Rumen Radew ogłosił jego powołanie na urząd premiera. Techniczny gabinet Gyłyba Donewa rozpoczął funkcjonowanie 2 sierpnia 2022. Po przedterminowych wyborach z października 2022 również nie zawiązano koalicji. W konsekwencji prezydent zarządził kolejne wybory i utworzył nowy rząd techniczny, na czele którego po raz drugi stanął Gyłyb Donew. Gabinet ten rozpoczął urzędowanie 3 lutego 2023. 6 czerwca 2023 na funkcji premiera zastąpił go Nikołaj Denkow. Od tego samego roku kierował gabinetem prezydenta Bułgarii.