​Candidatura alla Regione Lazio 
Il 16 dicembre 2009 viene ufficializzata la sua candidatura a Presidente della Regione Lazio con Il Popolo della Libertà per le elezioni regionali previste nella primavera del 2010. La Polverini ha promesso, in caso di elezione, di rivoluzionare il sistema della sanità laziale, evitando di chiudere ospedali o di tagliare posti letto, e che non vi sarà un assessorato separato per la sanità.
La Polverini è appoggiata anche dall'UDC, dalla Destra, e da una lista civica per Polverini. Per via dell'esclusione delle liste del Popolo delle Libertà dalle elezioni nel Lazio, relativamente alla sola Provincia di Roma, a cui seguono ricorsi all'Ufficio Elettorale, al TAR e al Consiglio di Stato, quest'ultimo il 20 marzo ne sancisce la definitiva esclusione, il PdL decide di invitare i propri elettori a far convergere i voti sulla lista civica di Renata Polverini.

Elezione a presidente della Regione Lazio 
Dopo uno spoglio che ha visto fino alle ultime ore un testa a testa con la candidata del centrosinistra Emma Bonino, il 30 marzo Renata Polverini vince la corsa alla presidenza della Regione Lazio con il 51,14% dei consensi contro il 48,32% della Bonino.
Il 25 aprile, in occasione della celebrazione del 65º anniversario della Liberazione, Renata Polverini viene duramente contestata dai partecipanti alla manifestazione organizzata a Roma presso Porta San Paolo. Verso il palco vengono lanciati oggetti, slogan ed insulti (tra cui l'appellativo di "fascista"). Dopo pochi minuti Renata Polverini e il presidente della Provincia di Roma Nicola Zingaretti (colpito al volto da un agrume) sono costretti ad abbandonare la manifestazione.
Nel 2011 la Polverini riceve il parere positivo della Commissione europea per una ulteriore deroga ai limiti europei per procedere ad interventi di potabilizzazione dell'acqua per riduzione dei livelli di arsenico nei comuni del Lazio. ​
 

Le dimissioni 
Nel 2012, in seguito a un esposto presentato dal consigliere regionale Francesco Battistoni, un'inchiesta della magistratura riguardante il consigliere regionale Franco Fiorito porta alla luce un sistema di notevoli fondi elargiti ai membri del Consiglio della regione Lazio, usati spesso per finalità non concernenti l'attività politica del gruppo ma per scopi privati. La Polverini minaccia le proprie dimissioni nel caso non fossero apportati dei tagli drastici e immediati a un tale sistema di elargizioni così copioso e poco trasparente. Alla trasmissione Piazzapulita la Governatrice dichiara: «Mi sono sentita tradita da un sistema all'interno del Consiglio che viene da molte legislature che pensava di farla franca anche in un momento difficile come quello che stiamo vivendo. Quello che accade oggi non inizia oggi. Questo sistema si è costruito negli anni. Bisognava capire prima che non era più il momento». In seguito a una mozione della stessa Polverini il Consiglio regionale decide di dimezzare le proprie Commissioni, riducendo della metà i fondi elargiti ai gruppi regionali e abolendo i gruppi composti da un solo membro. La Governatrice annuncia allora, in un primo momento, di rimanere al suo posto.
A causa dello scalpore provocato dallo scandalo, però, i consiglieri dell'opposizione di sinistra e in parte di centro minacciano di rassegnare le loro dimissioni per andare al voto anticipato, mentre l'UDC che sostiene la maggioranza di centrodestra, dopo aver inizialmente difeso la Polverini per bocca del suo leader Pier Ferdinando Casini, si accoda nel prospettare le dimissioni dei propri consiglieri alla Regione. Il 24 settembre 2012 allora, non intendendo proseguire il lavoro della sua Giunta con un Consiglio dimezzato, la Polverini durante una conferenza stampa annuncia di voler rimettere il mandato di Presidente della Regione Lazio, restando in carica per il disbrigo degli affari correnti fino alle prossime elezioni anticipate, dichiarandosi «inorridita da quanto avvenuto».Presenta ufficialmente le proprie dimissioni il 27 settembre.

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Deputato 
Resta in carica per l'ordinaria amministrazione fino al 12 marzo 2013, fin quando non viene proclamato il nuovo Presidente della Regione. Alle elezioni politiche italiane del 2013 viene eletta deputato alla Camera nella lista del PdL.​