Во время президентских выборов 1999 года принимал участие в предвыборной кампании Леонида Кучмы. С декабря 1999 по апрель 2001 Ющенко — премьер-министр Украины.
Как заявляют биографы[источник?] Виктора Ющенко, реализация правительственной программы «Реформы ради благосостояния» («Реформи заради добробуту») позволила Кабинету министров добиться положительной динамики в экономике — впервые за годы независимости Украина получила прирост ВВП, удалось серьёзно изменить механизм расчётов и платежей в центральный и местные бюджеты, отказаться от бартера и заимствований, оздоровить ситуацию на энергорынке, существенно увеличить поступления в бюджет, на социальные цели, ликвидировать бюджетную задолженность по зарплате, пенсиям и стипендиям.
Постепенно, однако, разногласия между Ющенко и Кучмой усиливались, а к концу работы кабинета Ющенко скандалы в правительстве стали публичными, премьер-министр начал давать политические интервью, в которых открыто обвинял окружение Кучмы в саботаже реформ и противодействии правительству.
В феврале 2001 года была предпринята последняя попытка налаживания отношений в руководстве — вместе с Леонидом Кучмой и спикером Верховной рады Иваном Плющом Виктор Ющенко выступил с обращением к украинскому народу, в котором подверг резкой критике оппозицию и её акцию «Украина без Кучмы».
26 апреля 2001 Ющенко был отправлен в отставку в связи с парламентским вотумом недоверия кабинету министров[7] — в постановлении парламента было отмечено, что осуществление правительственной программы «Реформы ради благосостояния» не только не привело к реальной стабилизации в национальной экономике, а ещё серьёзнее обострило социально-экономические проблемы в обществе. Неофициальная версия — усиливающееся влияние в политических и деловых кругах, рост популярности среди населения.
6 июля 2004 года постановлением №136 Центральной избирательной комиссии Украины был зарегистрирован в качестве самовыдвиженца для выборов на пост Президента Украины. В ходе предвыборной кампании (предположительно 5 сентября) был отравлен неизвестными лицами путем введения в организм значительной дозы диоксина, вследствие чего внешний вид Виктора Ющенко был обезображен кожными изменениями, нарывами и опухолями. Процесс постепенного восстановления организма после диоксиновой атаки продолжается по сей день.
Набрал наибольшее число голосов среди всех кандидатов (39, 87% голосов) в ходе первого тура выборов Президента 31 октября 2004 года. По постановлению Центральной избирательной комиссии Украины занял 2-е место (46,69% голосов) на втором туре выборов Президента 21 ноября, однако с решением не согласился и подал иск в Верховный Суд Украины о признании противоправными действия Центральной избирательной комиссии и признании массовых фактов фальсификации выборов. 3 декабря Верховный суд Украины признал не соответсвующими реальному волеизъявлению избирателей объявленные результаты второго тура голосования и постановил повторить его 26 декабря.
10 января 2005 года постановлением Центральной избирательной комиссии признан победителем повторного второго тура голосования, набрав 15 115 712 голосов (51,99% от числа принявших участие в выборах) и официально объявлен третьим Президентом Украины.
