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.
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).
ministră a Educației (iunie 2012-iulie 2015), deputată (decembrie 2014-februarie 2015) și candidata formațiunii la funcția de prim-ministru (iulie 2015)