We wrześniu 2017 wygrał partyjne prawybory, stając się liderem politycznym swojego ugrupowania i jego kandydatem na premiera w wyborach w 2018. Kierowane przez niego ugrupowanie zajęło drugie miejsce za koalicją centroprawicy, znacząco poprawiając swój wynik wyborczy sprzed pięciu lat (z wynikiem ponad 32% do każdej z izb). Uzyskało też największe poparcie wśród samodzielnych list wyborczych, wprowadziło do parlamentu ponad 220 posłów i ponad 110 senatorów. Luigi Di Maio uzyskał mandat w okręgu większościowym, pokonując w nim Vittoria Sgarbiego.
Wyniki tych wyborów nie doprowadziły do uzyskania przez któryś z obozów politycznych większości w parlamencie pozwalającej na samodzielne rządzenie. Po długotrwałych negocjacjach 13 maja 2018 Ruch Pięciu Gwiazd podpisał porozumienie programowe z ugrupowaniem Liga Północna. Formowanie rządu trwało jeszcze niespełna trzy tygodnie. Ostatecznie 1 czerwca 2018 w nowo powołanym gabinecie Giuseppe Contego Luigi Di Maio objął stanowiska wicepremiera oraz ministra rozwoju gospodarczego, pracy i polityki społecznej.