บทบาทในช่วงเลือกตั้ง 2550

ร้อยตำรวจเอก เฉลิมตัดสินใจเข้าร่วมงานกับพรรคพลังประชาชน หลังการรัฐประหารใน พ.ศ. 2549 และในช่วงปลายปี พ.ศ. 2550 จะมีการเลือกตั้งสมาชิกสภาผู้แทนราษฎร โดย ร้อยตำรวจเอก เฉลิมลงสมัครรับเลือกตั้งในระบบสัดส่วน ลำดับที่ 2 กลุ่มจังหวัดที่ 6 (กรุงเทพมหานคร, นนทบุรี และ สมุทรปราการ) และได้รับเลือก

รัฐมนตรีว่าการกระทรวงมหาดไทย

ภายหลังจากการเลือกตั้งสิ้นสุดลง พรรคพลังประชาชนได้รับเลือกเป็นเสียงข้างมากในสภาถึง 233 ที่นั่ง ทำให้สมาชิกสภาผู้แทนราษฎรมีมติให้ สมัคร สุนทรเวช ดำรงตำแหน่งนายกรัฐมนตรี โดยในการจัดคณะรัฐมนตรีนายสมัครได้ให้ ร้อยตำรวจเอก เฉลิมดำรงตำแหน่งรัฐมนตรีว่าการกระทรวงมหาดไทย[19] ซึ่งเป็นตำแหน่งที่ ร้อยตำรวจเอก เฉลิมกล่าวว่าเป็นตำแหน่งที่ตนต้องการที่จะดำรงตำแหน่งมากที่สุดด้วย[ต้องการอ้างอิง]

แต่ต่อมาในวันที่ 2 สิงหาคม พ.ศ. 2551 นายสมัครได้ตัดสินใจปรับคณะรัฐมนตรี โดยในการปรับคณะรัฐมนตรีครั้งนี้ ร้อยตำรวจเอก เฉลิมได้พ้นจากตำแหน่งรัฐมนตรีว่าการกระทรวงมหาดไทย โดยนายสมัครได้ให้ พลตำรวจเอก โกวิท วัฒนะ ดำรงตำแหน่งแทน ร้อยตำรวจเอก เฉลิม อยู่บำรุง[20]

รัฐมนตรีว่าการกระทรวงสาธารณสุข

ต่อมานายสมัครได้พ้นจากตำแหน่งนายกรัฐมนตรีตามคำวินิจฉัยของตุลาการศาลรัฐธรรมนูญ ทำให้สมาชิกสภาผู้แทนราษฎรต้องมีการลงมติเลือกนายกรัฐมนตรีคนใหม่อีกครั้ง โดยสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรมีมติให้ สมชาย วงศ์สวัสดิ์ ดำรงตำแหน่งนายกรัฐมนตรี โดยในการจัดคณะรัฐมนตรีนายสมชายได้เลือกให้ ร้อยตำรวจเอก เฉลิมดำรงตำแหน่งรัฐมนตรีว่าการกระทรวงสาธารณสุข[21]

แต่ต่อมาในวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2551 ตุลาการศาลรัฐธรรมนูญได้มีมติให้ยุบพรรคพลังประชาชน,พรรคชาติไทย และพรรคมัชฌิมาธิปไตย และเพิกถอนสิทธิเลือกตั้งของคณะกรรมการบริหารพรรค จึงส่งผลให้นายสมชายพ้นจากตำแหน่งนายกรัฐมนตรีโดยปริยาย

รองนายกรัฐมนตรี

ร.ต.อ.ดร.เฉลิม อยู่บำรุงได้ตำแหน่งเป็นรองนายกรัฐมนตรีกำกับ กระทรวงยุติธรรม สำนักงานตำรวจแห่งชาติ และได้ตำแหน่งรักษาราชการแทนนายกรัฐมนตรีอันดับที่ 1[22] ในวันที่ 2 ตุลาคม พ.ศ. 2555 หรือรองนายกรัฐมนตรีลำดับที่ 1 ภายหลังนายยงยุทธ วิชัยดิษฐ ลาออกจากตำแหน่งดังกล่างเนื่องจากมีการชี้มูลความผิดเรื่องที่ดินสนามกอล์ฟอัลไพล์โดยคณะกรรมการปราบปรามทุจริตแห่งชาติ[23]

จากการสำรวจความพึงพอใจของประชาชน โดยสำนักเอแบคโพล เมื่อเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2555 เขาเป็นรัฐมนตรีที่ประชาชนพึงพอใจ เป็นลำดับที่ 2[24] รองจากนายกรัฐมนตรี