Aan het aanhoudende electorale verlies van D66 sinds 1994 kwam onder leiding van Alexander Pechtold een einde. Als lijsttrekker bij de Tweede Kamerverkiezingen van 22 november 2006 behaalde Pechtold slechts drie zetels, maar na dit absolute dieptepunt deed de partij het steeds beter. Van 2006 tot 2017 maakte D66 deel uit van de oppositie, maar wel sloot zij samen met andere partijen verschillende beleidsakkoorden met het eerste en tweede kabinet-Rutte. Bij de Tweede Kamerverkiezingen van 15 maart 2017 kwam D66 uit op negentien zetels, waarna de partij toetrad tot het derde kabinet-Rutte.
Met drie zetels behoorde de D66-fractie na de Kamerverkiezingen van 2006 tot de kleinste fracties in de Tweede Kamer. Niettemin ontpopte de welbespraakte Pechtold zich tot een van de leiders van de oppositie. Een van zijn tegenstanders was Geert Wilders van de rechts-populistische PVV, met wie hij regelmatig in aanvaring kwam. Van deze tweestrijd profiteerde D66 in electoraal opzicht: bij de gemeenteraadsverkiezingen van 3 maart 2010 verviervoudigde haar zeteltal bijna ten opzichte van de raadsverkiezingen van 7 maart 2006. De Tweede Kamerverkiezingen van 9 juni 2010 bevestigden de wederopstanding: D66 verkreeg tien zetels.
Het nadien aangetreden minderheidskabinet-Rutte van VVD en CDA met gedoogsteun van de PVV werd door Pechtold ‘een onzalig avontuur’ genoemd. Toen het kabinet in april 2012 was gevallen over de invulling van de door de Europese Commissie opgelegde bezuinigingen, werd onder andere op initiatief van D66 in korte tijd het ‘Lenteakkoord’ gesloten om het tekort op de Europese begroting voor het daaropvolgende jaar in overeenstemming te brengen met de Europese richtlijnen. Nadat bij de Tweede Kamerverkiezingen van 12 september 2012 twee zetels gewonnen waren, hielp D66 – die met de SGP en de ChristenUnie bekend stond als de ‘constructieve oppositie’ – het tweede kabinet-Rutte van VVD en PvdA zo nodig ook aan een meerderheid in de Eerste Kamer (bijvoorbeeld wat betreft de woningmarkt en de pensioenen). In de peilingen kwam D66 soms boven de 25 zetels uit. In 2014 verklaarde Pechtold ‘klaar te zijn’ voor het premierschap.
Bij de verkiezingen voor het Europees Parlement van 22 mei 2014 werd D66 met 15,5 procent van de stemmen voor het eerst de grootste partij van Nederland. Bij de Tweede Kamerverkiezingen van 15 maart 2017 behaalde D66 negentien zetels, waarna zij zitting nam in het derde kabinet-Rutte, met VVD, CDA en ChristenUnie. De voorgenomen afschaffing van het raadgevend referendum in het regeerakkoord – een van de ‘kroonjuwelen’ van de partij – kwam D66 op veel kritiek te staan. Bij de gemeenteraadsverkiezingen van 21 maart 2018 leidde zij als enige van de vier coalitiepartners verlies. In 2018 werd de referendumwet ingetrokken.
Pechtold bleef na de Tweede Kamerverkiezingen van 2017 als fractievoorzitter zitting houden in de Tweede Kamer. In oktober 2018 stapte hij uit de politiek. Hij werd opgevolgd door Rob Jetten, die de koers van de partij wat naar links leek te verleggen. Jetten leek zich kandidaat te willen stellen voor het lijsttrekkerschap bij de Tweede Kamerverkiezingen van maart 2021, maar zag daar van af toen minister van Buitenlandse Handel en Ontwikkelingssamenwerking Sigrid Kaag haar kandidatuur bekend had gemaakt.
