W wyborach w 2009 została wybrana na posłankę do Parlamentu Europejskiego z listy Platformy Obywatelskiej w okręgu obejmującym województwa małopolskie i świętokrzyskie. W lipcu tego samego roku wstąpiła do PO. Po rozwiązaniu przez władze krajowe PO małopolskich struktur była komisarzem krakowskiej PO. Pełniła tę funkcję do marca 2010, gdy nowym przewodniczącym został Łukasz Gibała. W maju tego samego roku bez powodzenia ubiegała się o stanowisko przewodniczącej regionu. W 2014 z powodzeniem ubiegała się o reelekcję w wyborach europejskich, uzyskując mandat deputowanej do PE VIII kadencji. Objęła funkcję przewodniczącej grupy roboczej ds. jednolitego rynku cyfrowego. W Parlamencie Europejskim weszła w skład Komisji Rynku Wewnętrznego i Ochrony Konsumentów. Dołączyła również do Spinelli Group, inicjatywy działającej na rzecz federalizacji Unii Europejskiej. W wyborach do Parlamentu Europejskiego w 2019 kandydowała z listy komitetu wyborczego Koalicja Europejska ponownie w okręgu wyborczym nr 10 (Kraków), uzyskując po raz kolejny mandat poselski. W lipcu tego samego roku została wybrana na wiceprzewodniczącą Komisji Rynku Wewnętrznego i Ochrony Konsumentów. W maju 2021 Róża Thun wystąpiła z Platformy Obywatelskiej.