​Ministro delle politiche agricole, alimentari e forestali 
Tra l'8 maggio 2008 e il 16 aprile 2010 ha ricoperto l'incarico di ministro per le politiche agricole nel governo Berlusconi IV.
La prima questione che dovette affrontare quale ministro fu l'esportazione del Brunello di Montalcino negli Stati Uniti, vietata dopo che erano state trovate alcune partite di vino con certificazione falsa. In quell'occasione, Zaia rese il governo garante della qualità del rinomato vino toscano e ritenne poi di dover siglare pubblicamente il compromesso raggiunto, facendo sì che la risoluzione del problema avesse lo stesso risalto mediatico del problema stesso.
Nel 2009, poco prima del G8 dell'Aquila, ha presieduto nel Castelbrando di Cison di Valmarino il primo G8 agricolo, vertice che ha affrontato, tra l'altro, il tema della fame nel mondo.
Ha rassegnato le sue dimissioni da Ministro dopo l'elezione a Presidente della Regione Veneto.

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Polemiche sull'Agenzia nazionale per la sicurezza alimentare a Foggia 
Come stabilito dal governo Prodi II e dal governo Berlusconi IV, Foggia era stata scelta come sede dell'Agenzia nazionale per la sicurezza alimentare: Zaia insieme ai deputati leghisti ha tuttavia dissentito, proponendo Verona al posto della città pugliese. Le sue dichiarazioni hanno scatenato polemiche non solo da parte delle forze di opposizione (che hanno chiamato in causa il ministro leccese Raffaele Fitto), ma anche gli stessi parlamentari pugliesi del Pdl non sono soddisfatti[3]. Senatori di maggioranza e di opposizione hanno presentato una mozione per impegnare il ministro del Welfare, Maurizio Sacconi e il ministro delle politiche agricole Luca Zaia a confermare l'indicazione di Foggia come sede dell'agenzia. In risposta il ministro Zaia ha affermato di aver semplicemente ripristinato una decisione presa, durante il precedente governo Berlusconi, dall'allora Ministro delle Politiche Agricole Gianni Alemanno, pugliese di nascita e romano d'adozione, che individuava la sede dell'autority a Verona. A spostare la sede a Foggia è stato appunto il ministro del successivo governo Prodi Paolo De Castro, anche lui pugliese. Alla fine la sede non è andata in nessuna delle città dispute.

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Presidente della Regione Veneto 
Il 19 dicembre 2009 viene ufficializzata la candidatura di Zaia alle elezioni regionali del Veneto dalla direzione nazionale della Lega Nord riunitasi a Padova. La candidatura di Zaia è stata votata all'unanimitá ed è stata sostenuta dalle liste della Lega Nord, del Popolo della Libertà e da una terza lista comune tra Alleanza di Centro di Francesco Pionati, l'attuale Democrazia Cristiana e alcuni esponenti dell'Unione di Centro usciti dal partito di Casini.
Il 29 marzo 2010, ha vinto le elezioni ottenendo più del 60% dei consensi, diventando così il decimo Presidente della Regione Veneto, nonché il più votato tra i candidati Presidente in Italia. L'insediamento ufficiale a Palazzo Balbi si è tenuto il successivo 13 aprile.
In un'indagine di un istituto di ricerca relativa al secondo trimestre 2012, Zaia è risultato essere, tra i Presidenti di Regione, quello il gradimento maggiore, con un gradimento stimato oltre il 60%
Nella veste di Presidente della regione ha la funzione di rappresentare sia giuridicamente che politicamente l'Ente nel suo complesso. Inoltre è referente per le materie: comunicazione e informazione, attuazione del federalismo, relazioni internazionali e cooperazione allo sviluppo, funzione di controllo e ispettorato, competenze istituzionali (Stato - Regione) - conferenze istituzionali, rapporti con Parlamento nazionale ed Europeo, attrazione degli investimenti e grandi eventi.