A fost ministră a Educației în perioada 2012-2015, funcție în care a fost promvată de Partidul Liberal Democrat din Moldova (PLDM), formațiune condusă de premierul de atunci Vlad Filat, condamnat definitiv în 2017 la 9 ani de închisoare pentru acte de corupție.

În iulie 2015, după demisia Guvernului Gaburici, PLDM a propus candidatura Maiei Sandu la funcţia de prim-ministru. Aceasta nu a mai ajuns să formeze cabinetul de miniștri, pentru că liderii Partidului Democrat și Partidului Liberal, formațiuni membre ale Alianței pentru Integrare Europeană 3, „au refuzat să discute” cu ea.

După acest episod, Sandu s-a declarat „dezamăgită de clasa politică” și a pus bazele unei noi formațiuni - Partidul Acțiune și Solidaritate (PAS). În 2016 a candidat la funcția de președinte al Republicii Moldova, pierzând în turul doi de scrutin, cu 47,89% din voturi, în fața socialistului Igor Dodon.

La parlamentarele din februarie 2019 câștigă detașat pe Circumscripția uninominală nr. 50 - la vest de Moldova. În legislativ se reține doar câteva luni, după care renunță la mandatul de deputat pentru fotoliul de premier al Republicii Moldova, funcție în care a fost investită după ce Blocul electoral ACUM, format din PAS și Platforma Demnitate și Adevăr, a făcut alianță cu socialiștii. Însă la 12 noiembrie 2019, pe fundalul unor disensiuni create de un proiect de lege privind modificarea legii procuraturii, deputații socialiști și democrați au acordat vot de neîncredere Guvernului condus de Maia Sandu.

La alegerile prezidențiale din 1 noiembrie 2020, Maia Sandu este candidata PAS la funcția de președintă a Republicii Moldova. Ajunge în turul doi de scrutin, avându-l ca și contracandidat pe Igor Dodon. Câștigă cursa electorală, obținând 57,72% din voturi.

În 2024 candidează pentru un nou mandat, fiind susținută tot de PAS. Împreună cu alegerile prezidențiale, Maia Sandu declașează și referendumul consultativ privind aderarea Republicii Moldova la Uniunea Europeană (UE). În mandatul său, dar și pe fundalul războiului dus de Rusia în Ucraina, Republica Moldova, alături de țara vecină, a obținut statutul de țară candidată la UE.

RISE Moldova a analizat CV-ul său public și informațiile oficiale despre locurile de muncă din Moldova, și a identificat că președinta nu și-a trecut toate funcțiile. În 2008, Maia Sandu a oferit consultanță pentru Fundația Soros Moldova, Fundația Case Moldova și Institutul de Politici Publice.

Tot în 2008 a fost, pentru o lună, consultată la Business Intelligent Services SRL, firma fostului vicepremier și deputat PD, Valeriu Lazăr.

În 2016, în perioada în care punea pe roate Partidul Acțiune și Solidaritate, a activat, timp de 6 luni, ca director de programe la Centrul de analiză și evaluare a reformelor, ONG-ul fostei sale consiliere, Ionela Costache.

Maia Sandu și-a făcut studiile de master în administrație publică la Harvard Kennedy School of Government din SUA (2009-2010). Ulterior a fost consiliera directorului executiv al Bancii Mondiale, cu sediul la Washington DC, SUA (2010-2012).