Toen Alexander Pechtold in 2006 aantrad als partijleider verkeerde D66 opnieuw in een crisis, ditmaal als gevolg van snel wisselende partijleiders en de dramatisch verlopen deelname aan het tweede kabinet-Balkenende. Door de populariteit van Pechtold en de hervorming van de partijorganisatie stroomden leden en kiezers toe en groeide D66 weer uit tot een stabiele middenpartij. In 2017 trad zij toe tot het derde kabinet-Rutte.
Pechtold was lijsttrekker voor D66 bij de vervroegde Tweede Kamerverkiezingen van 22 november 2006. In een felle interne verkiezingsstrijd had hij fractievoorzitter Lousewies van der Laan verslagen. D66 kwam uit op drie Kamerzetels – wat nog meeviel, gezien de peilingen. Van het hoogtepunt van 24 Kamerzetels in 1994 was de partij in twaalf jaar tijd op een absoluut dieptepunt beland. Een commissie voorgezeten door oud-Tweede Kamerlid Louise Groenman analyseerde deze electorale teruggang in het rapport Verloren vertrouwen en de weg naar herstel. De evaluatie door het D66-bestuur, Klaar voor de klim, diende vooral om de partijorganisatie te hervormen.
Onder leiding van Pechtold, en geassisteerd door Eerste Kamerfractievoorzitter Gerard Schouw en partijvoorzitter Ingrid van Engelshoven, bloeide D66 weer op – voor de derde keer in haar bestaan. Gedrieën hervormden en professionaliseerden zij de partijorganisatie. Partijleider Pechtold kreeg meer invloed op de advieskandidatenlijst, die voortaan door de lijsttrekker en de partijvoorzitter werd opgesteld. Het ledental nam sterk toe, tot bijna 29.000 in 2018 – een record.
Door Pechtolds felle manier van oppositie voeren tegen het vierde kabinet-Balkenende en zijn heftige debatten met PVV-leider Geert Wilders steeg D66 weer in de peilingen. Bij de Tweede Kamerverkiezingen van 9 juni 2010 behaalde de partij tien zetels. Ook voerde Pechtold scherpe oppositie tegen het eerste kabinet-Rutte van VVD en CDA, dat werd gedoogd door de PVV. Bij de Tweede Kamerverkiezingen van 12 september 2012 boekte D66 twee zetels winst.
In de oppositie was D66 bereid tot samenwerking: na de val van het minderheidskabinet-Rutte in april 2012 werd met andere partijen het ‘Lenteakkoord’ gesloten om het begrotingstekort overeenkomstig de Europese normen terug te dringen. Ook hielp D66 als onderdeel van de ‘constructieve oppositie’ meerdere malen het tweede kabinet-Rutte van VVD en PvdA aan een meerderheid. Electoraal hield de groei aan: bij de Europese verkiezingen van 22 mei 2014 werd D66 voor het eerst de grootste partij van Nederland. Bij de Tweede Kamerverkiezingen van 15 maart 2017 verkreeg D66 negentien zetels, waarna zij toetrad tot het derde kabinet-Rutte, bestaande uit VVD, CDA, D66 en ChristenUnie. Met die laatste partij was op medisch-ethisch terrein geen samenwerking mogelijk, wat tot protest binnen D66 leidde. Ook de in het regeerakkoord afgesproken afschaffing van het raadgevend referendum viel slecht.
Namens D66 werd in het nieuwe kabinet Kajsa Ollongren vicepremier en minister van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties en de relatief onbekende Sigrid Kaag minister van Buitenlandse Handel en Ontwikkelingssamenwerking. Daarnaast kreeg D66 nog enkele ministerstersposten. Pechtold zelf bleef in de Tweede Kamer. Nadat hij op het partijcongres van 6 oktober 2018 had aangekondigd de politiek te verlaten, werd Rob Jetten gekozen als fractievoorzitter. Aanvankelijk wilde Jetten lijsttrekker en partijleider worden, maar toen de binnen D66 populaire Kaag zich – gesteund door de partijtop – daarvoor opmaakte, stapte hij terug.
