Em 2002, o PSB lançou o então governador do Rio de Janeiro, Anthony Garotinho, candidato à presidência da República. O partido obteve 15 milhões de votos. Foram eleitos, no mesmo ano, quatro governadores, três senadores e 18 deputados federais.

Em 2003, com a posse de Luís Inácio Lula da Silva na Presidência da República - com o apoio do PSB no segundo turno das eleições - Roberto Amaral assume o Ministério da Ciência e Tecnologia. Mais tarde, com a reforma ministerial, assume o ministério o deputado federal pernambucano Eduardo Campos.
Como apoio do PSB, o presidente Lula é reeleito para o segundo mandato em 2006. Assim o PSB continua fazendo parte da base do governo e participa ainda com o ministro da Ciência e Tecnologia, Sérgio Rezende, e atua também na Secretaria de Portos, com o companheiro Pedro Brito.

Na vice-liderança do governo Lula desde o primeiro mandato destaca-se o trabalho do deputado federal Beto Albuquerque, do Rio Grande do Sul.