W 1994, 1998 i 2002 uzyskiwał mandat deputowanego do Rady Najwyższej II, III i IV kadencji (w 2002 odmówił jego objęcia z uwagi na niepołączalność stanowisk). Od sierpnia 1996 do kwietnia 1998 sprawował urząd ministra nauki i technologii. Od sierpnia do grudnia 1999 po raz pierwszy pełnił funkcję wicepremiera. Zaangażował się w działalność Partii Regionalnego Odrodzenia Ukrainy, na bazie której powstała Partia Regionów. W marcu 2001 Wołodymyr Semynożenko został wiceprzewodniczącym PR, od grudnia 2001 do kwietnia 2003 był jej wiceprzewodniczącym (zastąpił go następnie Wiktor Janukowycz). Od maja 2001 do listopada 2002 ponownie zajmował stanowisko wicepremiera. Był także doradcą prezydenta (2003–2005) i premiera (2006–2007).
W międzyczasie w 2005 wystąpił z Partii Regionów, działał następnie w Partii Ludowej Wołodymyra Łytwyna. W 2009 stanął na czele ugrupowania Nowa Polityka. Od marca do lipca 2010 po raz trzeci sprawował urząd wicepremiera (w gabinecie Mykoły Azarowa). Następnie do czerwca 2014 kierował najpierw państwowym komitetem, następnie państwową agencją ds.