W czerwcu 2009, na miesiąc przed wyborami parlamentarnymi, został przedstawiony jako członek zespołu ekonomicznego partii Obywatele na rzecz Europejskiego Rozwoju Bułgarii (GERB), która ostatecznie wybory te wygrała. W lipcu 2009 objął stanowisko ministra rozwoju regionalnego i robót publicznych w pierwszym gabinecie Bojka Borisowa. W okresie jego urzędowania doszło do długo odkładanych inwestycji drogowych, a Rosen Plewneliew stał się najbardziej popularnym ministrem w kraju.
4 września 2011 został przedstawiony jako kandydat GERB-u w wyborach prezydenckich. Premier Bojko Borisow podkreślał, że głównymi powodami, dla których to Rosen Plewneliew otrzymał poparcie partii, były jego fachowość i zdolność do budowy skutecznego zespołu, co miał udowodnić działając zarówno w sektorze prywatnym, jak również jako minister. Trzy dni później zrezygnował ze stanowiska w rządzie. Kandydatką na wiceprezydenta została minister sprawiedliwości Margarita Popowa. Głównymi konkurentami do urzędu prezydenta stali się były minister spraw zagranicznych Iwajło Kałfin (Bułgarska Partia Socjalistyczna) oraz była komisarz Unii Europejskiej Meglena Kunewa (niezależna). W pierwszej turze głosowania z 23 października 2011 Rosen Plewneliew zajął pierwsze miejsce, zdobywając 40,11% głosów poparcia.