W Sejmie została zastępczynią przewodniczącego Komisji Edukacji, Nauki i Młodzieży.
W 2016 została wiceprzewodniczącą ugrupowania, od stycznia do maja 2017 pełniła funkcję jego rzecznika prasowego, a w kwietniu tego samego roku objęła przewodnictwo w klubie poselskim. 25 listopada 2017 została wybrana na przewodniczącą ugrupowania, pokonując w głosowaniu założyciela tej partii Ryszarda Petru. 9 stycznia 2018 na stanowisku przewodniczącej klubu poselskiego zastąpiła ją Kamila Gasiuk-Pihowicz. 6 grudnia tego samego roku Katarzyna Lubnauer została tymczasowo przewodniczącą koła poselskiego, po utracie przez tę partię klubu (w wyniku odejścia z niego kilkorga posłów, w tym jego przewodniczącej); dzień później zastąpił ją Paweł Pudłowski.
W wyborach parlamentarnych w 2019 wystartowała do Sejmu w okręgu warszawskim z drugiego miejsca na liście Koalicji Obywatelskiej. Uzyskała mandat posłanki na Sejm IX kadencji, otrzymując 28 205 głosów. 24 listopada 2019 podczas konwencji Nowoczesnej złożyła rezygnację z funkcji przewodniczącej partii.