W 2011 został rządowym doradcą ds. edukacji. W maju 2012 wszedł w skład gabinetu Petra Nečasa jako minister szkolnictwa, młodzieży i sportu, kończąc urzędowanie wraz z całą radą ministrów w lipcu 2013. W tym samym roku Petr Fiala wstąpił do Obywatelskiej Partii Demokratycznej. Z jej ramienia w wyborach parlamentarnych uzyskał mandat deputowanego do Izby Poselskiej. W styczniu 2014 wybrany na funkcję przewodniczącego ODS. W wyborach w 2017, 2021 i 2025 z powodzeniem ubiegał się o poselską reelekcję.
Po wyborach z 2021 pięć ugrupowań z dwóch koalicji wyborczych (ODS, KDU-ČSL, TOP 09, Piraci oraz Burmistrzowie i Niezależni) zawarły porozumienie celem utworzenia większościowego rządu z Petrem Fialą na czele. 9 listopada 2021 prezydent Miloš Zeman powierzył mu misję utworzenia nowego rządu, a 28 listopada tegoż roku mianował go na funkcję premiera, 17 grudnia prezydent dokonał zaprzysiężenia pozostałych członków jego rządu, tym samym Petr Fiala rozpoczął urzędowanie na stanowisku premiera.
15 marca 2022, w trakcie inwazji Rosji na Ukrainę, wraz z premierem Polski Mateuszem Morawieckim, wicepremierem Polski Jarosławem Kaczyńskim oraz premierem Słowenii Janezem Janšą, udał się do Kijowa na spotkanie z prezydentem Ukrainy Wołodymyrem Zełenskim;