I 2005 blev han minister for familie- og forbrugeranliggender i VK-regeringen underAnders Fogh Rasmussen. I Barfoeds ministerperiode blev fødevarekontrollen udsat for hård kritik under og efter den omfattende "kødskandale" i foråret 2006; han forlod posten i december samme år, da et folketingsflertal krævede hans afgang.

Siden blev Lars Barfoed næstformand, fra 2008 formand for den konservative folketingsgruppe og bl.a. partiets udenrigsordfører. Han vendte samme år tilbage til den stilling som formand forRådet for Større Færdselssikkerhed, som han besad 2002-2005.

I september 2008 udnævntes han til transportminister og forlod herefter stillingen som formand for Rådet for Større Færdselssikkerhed. I forbindelse med en større ministerrokade i februar 2010 fratrådte Lars Barfoed som transportminister og afløste i stedetBrian Mikkelsen som justitsminister. Denne post beklædte han frem til regeringens afgang i 2011; herefter blev han medie- og kulturordfører.

I januar 2011 blev Lars Barfoed leder af Det Konservative Folkeparti, idet han efterfulgteLene Espersen, der havde trukket sig fra posten efter negative meningsmålinger og manglende opbakning i det partipolitiske bagland. Samtidig med overtagelse af partilederposten blev Lars Barfoed også vicestatsminister. I marts 2011 blev han formelt valgt til partiformand.

Han trak sig fra formandsposten i august 2014 og efterfulgtes af den daværende borgmester i ViborgSøren Pape Poulsen. Barfoed fortsatte som partiets udenrigs- og EU-ordfører. Ved folketingsvalget i 2015, hvor Det Konservative Folkeparti fik det dårligste valg, siden det blev stiftet i 1915, var Barfoed trods sin erfaring som formand blandt de medlemmer, der ikke blev genvalgt.

Barfoed var i 2014 blevet gift med Helle Sjelle, dengang også aktiv politiker i Det Konservative Folkeparti. Begge meldte sig ud af partiet i august 2023, i første omgang begrundet med utilfredshed med forhold hos partiets linje og ledelse lokalt iFrederiksberg Kommune. Barfoed blev dog umiddelbart efter medlem af partietModeraterne og angav som årsag uenighed med partiets politiske linje på landsplan, herunder beslutningen om ikke at deltage i en regering hen over midten. Allerede i september samme år blev Barfoed kandidat for Moderaterne ved europaparlamentsvalget den 9. juni 2024.