Op 21 juni 2020 maakte minister van Buitenlandse handel en Ontwikkelingssamenwerking Sigrid Kaag bekend zich kandidaat te zullen stellen als D66-lijsttrekker voor de Tweede Kamerverkiezingen van maart 2021. Zij 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.