วันที่ 28 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2551 สมัคร สุนทรเวช นายกรัฐมนตรี ได้เซ็นคำสั่งให้ พล.ต.อ. เสรีพิศุทธิ์ ไปช่วยราชการประจำสำนักนายกรัฐมนตรี โดยให้ พล.ต.อ. พัชรวาท วงษ์สุวรรณ มาเป็นรักษาการผบ.ตร. แทน และภายหลังการประชุมคณะกรรมการนโยบายตำรวจแห่งชาติ (ก.ต.ช.) ที่ทำเนียบรัฐบาลเสร็จสิ้นว่า ที่ประชุม ก.ต.ช. ซึ่งมีนายสมัคร สุนทรเวช นายกรัฐมนตรี และรัฐมนตรีว่าการกระทรวงกลาโหม เป็นประธานการประชุม มีมติเป็นเอกฉันท์ แต่งตั้ง พล.ต.อ. พัชรวาท วงษ์สุวรรณ รักษาการ ผบ.ตร. เป็น ผบ.ตร. คนใหม่ แทน พล.ต.อ. เสรีพิศุทธ์ เตมียาเวส โดยจะขึ้นดำรงตำแหน่งได้เมื่อมีพระบรมราชโองการโปรดเกล้าโปรดกระหม่อมให้ พล.ต.อ. เสรีพิศุทธ์ พ้นจากตำแหน่ง [4][5][6][7]

วันที่ 4 กันยายน 2551 เขาได้รับแต่งตั้งเป็นรองผู้อำนวยการกองอำนวยการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉินใน รัฐบาล สมัคร สุนทรเวช สิ้นสุดวันที่ 14 กันยายน 2551[8]ในเหตุการณ์ นปช. ปะทะกับกลุ่มพันธมิตรฯ 2 กันยายน พ.ศ. 2551

วันที่ 28 พฤศจิกายน พ.ศ. 2551 ที่สำนักงานตำรวจแห่งชาติ นายสมชาย วงศ์สวัสดิ์ นายกรัฐมนตรี มีคำสั่งสำนักนายรัฐมนตรี ที่ 305/2551 ให้ พล.ต.อ.พัชรวาท วงษ์สุวรรณ ผบ.ตร. มาปฏิบัติงานสำนักนายกรัฐมนตรี โดยให้ได้รับเงินเดือนของสังกัดเดิมไปก่อนและให้ พล.ต.อ. ปทีป ตันประเสริฐ จเรตำรวจแห่งชาติ เป็นผู้รักษาราชการแทน [9]

ต่อมาในวันที่ 21 ธันวาคม พ.ศ. 2551 ด้วยคำสั่งของนายชวรัตน์ ชาญวีรกูล รักษาการนายกรัฐมนตรีได้มีคำสั่งให้ พล.ต.อ. พัชรวาท กลับคืนสู่ตำแหน่งเดิม จัดว่าเป็นผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติหรืออธิบดีกรมตำรวจคนแรกที่ถูกสั่งย้ายแล้วสามารถกลับคืนสู่ตำแหน่งได้[10]

ต่อมาหลังจากเกิดเหตุลอบสังหารนายสนธิ ลิ้มทองกุล แกนนำพันธมิตรประชาชนเพื่อประชาธิปไตยขึ้น ทางนายกรัฐมนตรี นายอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ ได้มอบหมายให้ พล.ต.อ. ธานี สมบูรณ์ทรัพย์ รอง ผบ.ตร.กำกับดูแลคดีนี้โดยเฉพาะและให้รายงานความคืบหน้าของคดีต่อตัวนายกรัฐมนตรีเอง ซึ่งต่อมา พล.ต.อ. ธานีได้ให้สัมภาษณ์ในทำนองว่าการดำเนินคดีนี้มีอุปสรรคเป็น "ตอ" และ "ไส้ศึก" ในหมู่ตำรวจด้วยกันเอง[11] พันธมิตรฯ และหลายภาคส่วนในสังคมคาดการณ์ว่า หมายถึง พล.ต.อ. พัชรวาท นี่เอง ได้มีกระแสเรียกร้องให้ปลดออกจากตำแหน่ง [12] จนในที่สุดนายอภิสิทธิ์ได้เข้าหารือกับ พล.ต.อ.พัชรวาทด้วยตนเองที่บ้านพิษณุโลกเมื่อวันที่ 31 กรกฎาคม พ.ศ. 2552[13]ได้ข้อสรุปว่า พล.ต.อ. พัชรวาทจะเดินทางไปราชการที่ประเทศจีนเป็นเวลา 10 วัน และจะขอลาพักราชการต่อจากนั้น โดยในระหว่างลานี้ ได้มีคำสั่งมอบหมายให้ พล.ต.อ.วิเชียร พจน์โพธิ์ศรี ที่ปรึกษา (สบ 10) รักษาการแทนในวันที่ 4 สิงหาคม พ.ศ. 2552[14]

ในเดือนเมษายน ปี พ.ศ. 2552 เขาเป็นผู้ปฏิบัติงานในกองอำนวยการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉิน (กอฉ.)ตามคำสั่งสำนักนายกรัฐมนตรีที่ 98/2552 ในเหตุการณ์ ความไม่สงบทางการเมืองในประเทศไทย เมษายน พ.ศ. 2552[15]

วันที่ 7 กันยายน พ.ศ. 2552 คณะกรรมการป้องกันและปราบปรามการทุจริตแห่งชาติ หรือ ป.ป.ช. ซึ่งมี นายปานเทพ กล้าณรงค์ราญ ประธาน ป.ป.ช. ทำหน้าที่ประธานการประชุม ได้พิจารณาคดีสั่งการสลายการชุมนุมของกลุ่มพันธมิตรประชาชนเพื่อประชาธิปไตยที่หน้ารัฐสภา เมื่อวันที่ 7 ตุลาคม พ.ศ. 2551 ซึ่งที่ประชุมมีมติชี้มูลความผิดนักการเมืองและนายตำรวจที่เกี่ยวข้อง โดยที่ พล.ต.อ.พัชรวาท ในฐานะผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติ ซึ่งรับผิดชอบตามอำนาจหน้าที่ เมื่อเกิดเหตุรุนแรงจนถึงขั้นผู้ชุมนุมบาดเจ็บสาหัส ถึงขนาดขาขาดแขนขาด ก็ต้องยับยั้งมิให้เหตุการณ์ลุกลามต่อไป และมีการให้การจากพยานว่า เป็นผู้สั่งการสลายการชุมนุม จึงมีความผิดตามประมวลกฎหมายอาญา มาตรา 157 ฐานปฏิบัติหน้าที่โดยมิชอบและมีความผิดวินัยร้ายแรง ซึ่งที่ประชุม ป.ป.ช.มีมติชี้มูลความผิด 8 ต่อ 1 โดยส่งผลให้หยุดปฏิบัติหน้าที่โดยทันที [16]

นายอภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ นายกรัฐมนตรี มีคำสั่งให้ พล.ต.อ. พัชรวาท วงษ์สุวรรณ ผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติ มาปฏิบัติราชการที่สำนักนายกรัฐมนตรี และให้ พล.ต.อ. ธานี สมบูรณ์ทรัพย์ รองผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติ เป็นผู้รักษาราชการแทน ให้มีผลตั้งแต่วันที่ 9 กันยายน ซึ่งเป็นผลสืบเนื่องจาก คณะกรรมการป้องกันและปราบปรามการทุจริตแห่งชาติ (ป.ป.ช.) ชี้มูลความผิดคดีอาญาและวินัยร้ายแรงจากเหตุการณ์สลายการชุมนุม 7 ตุลาคม พ.ศ. 2551 ต่อมา พล.ต.อ. พัชรวาท วงษ์สุวรรณ ได้ลาออกจากตำแหน่งผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติ[17]นับว่าเป็นผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติคนแรกที่ทำงานกับนายกรัฐมนตรีถึง 3 ราย ได้แก่ นาย สมัคร สุนทรเวช นาย สมชาย วงศ์สวัสดิ์ และ นาย อภิสิทธิ์ เวชชาชีวะ ท่ามกลาง วิกฤตการณ์การเมืองไทย พ.ศ. 2548–2553 ที่ พรรคพลังประชาชน และพรรคเพื่อไทย เป็นศัตรูกับ พรรคประชาธิปัตย์ อย่างเด่นชัด

วันที่ 19 กรกฎาคม พ.ศ. 2554 ได้รับแต่งตั้งเป็น ประธานกรรมการ บริษัท ปิคนิค คอร์ปอเรชั่น จำกัด (มหาชน) [18]

ในวันที่ 28 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2557 ศาลปกครองกลางมีคำสั่งคืนตำแหน่งผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติ ให้กับ พลตำรวจเอก พัชรวาท วงษ์สุวรรณ[19]

วันที่ 17 กรกฎาคม พ.ศ. 2557 พล.อ. ประยุทธ์ จันทร์โอชา หัวหน้าคณะรักษาความสงบแห่งชาติ คืนตำแหน่ง ผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติ และยกเลิกการลงโทษปลดออกจากราชการ ให้แก่ พล.ต.อ. พัชรวาท วงษ์สุวรรณ ตามคำพิพากษาศาลปกครองกลางที่ให้ยกเลิกคำสั่งลงโทษ[20]