Na het vertrek van Alexander Pechtold als partijleider van D66 in 2018 werd Rob Jetten fractieleider in de Tweede Kamer en daarmee ook de nieuwe partijleider. Hij leek aanvankelijk ook lijsttrekker voor de Tweede Kamerverkiezingen van 2021 te worden, maar toen de binnen D66 populaire Sigrid Kaag zich - gesteund door de partijtop - zich op 21 juni 2020 bekend maakte zich zich kandidaat te stellen, trok Jetten zich terug, omdat er volgens hem een betere kandidaat was. Kaag versloeg in september 2020 met ruim 95 procent van de stemmen tegenkandidaat Ton Visser. Na haar verkiezing tot lijsttrekker sprak Kaag de ambitie uit de eerste vrouwelijke minister-president van Nederland te willen worden.
Op 15 januari 2021 werd het derde kabinet-Rutte van VVD, CDA, D66 en ChristenUnie demissionair: naar aanleiding van het kritische rapport van de parlementaire ondervragingscommissie Kinderopvangtoeslag hadden de bewindslieden hun ontslag aangeboden.
Bij de Tweede Kamerverkiezingen van 17 maart 2021 kwam D66 als grote winnaar uit de stembus. De partij groeide van 19 naar 24 zetels. Hiermee evenaarde ze haar eigen record uit 1994 en werd zij de op één na grootste partij in de Tweede Kamer, achter de VVD. Ondanks felle kritiek op samenwerking met de VVD vanuit de Jonge Democraten, kreeg D66 samen met de VVD de voortrekkersrol tijdens de kabinetsformatie. De formatie verliep stroef, mede omdat de D66-Tweede Kamerfractie begin april een motie van afkeuring tegen VVD-leider Mark Rutte had gesteund. Bijna een jaar na de val van het derde kabinet-Rutte en zo'n negen maanden na de Tweede Kamerverkiezingen kwam het vierde kabinet-Rutte tot stand. Partijleider Sigrid Kaag werd minister van Financiën en vicepremier. Op 7 juli 2023 kwam dit kabinet ten val als gevolg van verschil van mening over het asielbeleid. Kaag, die tijdens haar ministerschap veelvuldig bedreigd was, zowel fysiek als op sociale media, besloot daarna te stoppen als partijleider. Ze werd opgevolgd door Rob Jetten. Bij de vervroegde Tweede Kamerverkiezingen op 22 november 2023 viel D66 onder Jetten's leiding terug van 24 naar 9 zetels, een bittere pil voor de Democraten.